Falsch! Es muss nicht immer das Rad neuerfunden werden. Sicher, eine ganz individuelle Herangehensweise – jedes Mal von Grund auf neu – bietet optimale Chancen auf herausragende Projektergebnisse. Es steht nur niemals die Projektqualität (heißt Planungs- und Umsetzungsqualität) allein im Vordergrund, sondern auch die Wirtschaftlichkeit (Budget) und die Projektzeit (Meilensteine).

Diese Konflikte können auf verschiedene Art und Weise entschärft werden. Beispielsweise kann die Projektzeit mit Simultaneous Engineering gesenkt werden, die Ergebnis- und Prozessqualität dabei sogar gesteigert werden. Eine weitere Möglichkeit, welche den Einsatz von Simultaneous Engineering fördert, ist die Standardisierung.

Standardisierung ist in der Gesellschaft vor allem für den Automobilbau bekannt. Beispielsweise werden Fahrzeugplattformen universell konstruiert und für verschiedene Modelle – auch markenübergreifend – als Basis verwendet. Aber auch in ganz anderen Branchen und Sachgebieten, wie beispielsweise die Software-Entwicklung, Gebäudetechnik oder Fabrikplanung,  ist die Standardisierung im Einzug oder gehört längst zum Gestaltungsalltag.

Für die Standardisierung der Projektergebnisse (z. B. Endgeräte, Zulieferteile, Fabriken, Software-Programme, Datenbanken oder dokumentierte Planungsergebnisse) können zwei Richtungen unterschieden werden:

• Externe Standards sind allgemeingültig für ein Produkt oder eine Branche
  Diese können freiwillig (z. B. die meisten Normen nach DIN oder auch VDI-Richtlinien) oder obligatorisch (z. B. Verordnungen, Gesetze,  vergesetzlichte DIN-Normen) sein
• Interne Standards gelten nur für das Unternehmen oder einer Unternehmensgruppe (z. B. Beschaffungs- oder Rationalisierungskartelle) und dienen nur den eigenen Zwecken zur Erhöhung der Wirtschaftlichkeit durch Wiederverwendbarkeit und Kompatibilität oder der Kundenbindung

Standardisierung von Projektgegenständen und -prozessen bringt einige Vorteile, welche die Qualität wenig einschränken, ja sogar entsprechend den Standards gewährleisten.
Es kann jedoch nicht nur das Ergebnis des Planungs- oder Umsetzungsprojekts standardisiert werden, sondern auch der Weg (Prozesskette) bis zum Ziel (Ergebnis).

Auch eine Prozesskette kann (nach internen und externen Vorgaben) standardisiert und damit modular-wiederverwendbar werden. Prozesse können zueinander mit definierten Schnittstellen universell und kompatibel standardisiert werden. Zudem können Informations- und Telekommunikationssystem als Hilfsmittel eine Standardisierung bei dem Vorgehen in der Produktentwicklung ermöglichen.

Standardisierung setzt aber eine gewisse Professionalität voraus, welche sich nicht nur am Qualitätsanspruch erkennen lässt, sondern auch an der Wiederholung von Prozessen. Projekte, welche so individuell sind, dass sie vollkommen unterschiedlich zu allen anderen Projekten sind, lassen sich nicht standardisieren und bilden auch nur dann eine Standardisierungsvorlage, wenn es zukünftig ähnliche Projekte geben wird.

Die Weltbevölkerung sieht sich mit immer knapper werdenden Ressourcen sowie wachsende Mülldeponien konfrontiert. Diese Problematik fordert eine ressourcenbewusste Produktion, welche bereits mit der Konstruktion eines Produktes beginnt. Gerade in der Produktkonstruktion wird der Verbrauchsgrad von Ressourcen bei der späteren Produktion direkt oder indirekt festgelegt. Dementsprechend tragen die Konstrukteure eine hohe Verantwortung, welche nicht nur die Entstehungskosten, sondern auch den Grad der Umweltbelastung bzw. -schonung betrifft.

Produkte sollen eine soweit wie möglich nutzbare Lebensdauer haben und nach Überschreitung dieser Dauer bestmöglich ganz oder teilweise recyclebar sein.

In Hinblick auf Recycling müssen die Konstrukteure eine Demontage der Bauteile bzw. Baugruppen ermöglichen und die Baugruppen demontagefreundlich strukturieren. Dabei sollte eine Demontage nicht nur technisch einfach möglich, sondern auch wirtschaftlich sein, um einen Anreiz zur Demontage bis zum Recycling zu geben. Die Bauteile von Baugruppen müssen leicht und zügig zerlegt werden können, bis die verbleibenden Einzelteile gleichartiger Werkstoffe problemlos voneinander getrennt und Recycling- bzw. Entsorgungsprozessen zugeführt werden können.

Es kann hierbei ausreichend sein, wenn Einzelteile soweit voneinander getrennt werden, dass sie jeweils unter den Gesichtspunkten der Wiederverwertung oder Entsorgung in verträglicher Art und Form vorliegen. Dies bedeutet, dass untrennbare / unlösbare Teile ausschließlich miteinander verträgliche Werkstoffe verwenden, welche gemeinsam wiederverwertet oder entsorgt werden können.

Dazu gehört auch, die Teile- und Werkstoffvielfalt auf ein mögliches Minimum zu halten. Eine hohe Vielfalt von Einzelteilen aus unterschiedlichen Werkstoffen erschwert wirtschaftlich lohnendes Recycling und senkt somit die Motivation zur Umsetzung der Wiederverwertung und ordnungsgemäßen Entsorgung.

Es ist nicht immer leicht erkennbar, aus welchen Werkstoffen Einzelteile gefertigt wurden. Die eindeutige Bestimmung des Werkstoffs ist jedoch sowohl für eine sachgerechte Wiederverwertung als auch Entsorgung unabdingbar.
Aus diesem Grund ist eine Kennzeichnung der Werkstoffe, insbesondere der vielfältigen Kunststoffe und Legierungen, nötig.

Wenn diese Regeln in der Produktion bereits in der Konstruktion eingehalten werden, können Produkte wirtschaftlich wiederverwertet und umweltschonend entsorgt werden. Es reicht nicht aus, eine ökologisch sinnvolle Wiederverwertung und Entsorgung technisch zu ermöglichen, sondern es müssen auch wirtschaftliche Anreize gegeben werden, so dass eine Umweltschonung nicht nur Theorie bleibt, sondern auch tatsächlich Praxis wird.

Produktanforderung

Eine Produktanforderung ist eine Vorgabe von zu erfüllenden Eigenschaften/Merkmalen eines Produkts oder einer Komponente und damit eine Aussage über eine notwendige Soll -Beschaffenheit oder -Fähigkeit.

Anforderungsmanagement

Software im Anforderungsmanagement

Heutiges Anforderungsmanagement spielt sich hauptsächlich mit einer unternehmensindividuellen Software in Form einer Datenbank ab, welche als Dokumentationsquelle dient.

Dokumentation in Form von Texten und Tabellen alleine ist in Zukunft jedoch nicht mehr ausreichend. So wie in der Entwicklung und Fertigung beschreitet auch das Anforderungsmanagement den Weg ins Computer Aided Engineering (CAE).

In Zukunft wird Software aus der Kategorie Product Data Management (PDM) eine bedeutendere Rolle spielen. PDM-Software ist bis heute keine Standardsoftware, sondern jegliche Software, welche Wissen aus der Dokumentation, dem Modell (CAD) und den Prozessen (ERP) kombiniert und zentral zur Verfügung stellt.

Noch weiter geht Product Lifecycle Management (PLM), welche nicht nur den Produktionsweg betrachtet, sondern den gesamten Produktlebenszyklus (bis hin zur Nutzung und Entsorgung/Wiederverwertung) einbezieht.

Im weiteren Sinne werden auch Softwarelösungen der Unterkategorien des Konzepts des Computer Aided Engineering im Zusammenhang mit dem Anforderungsmanagement genannt.

• Computer Aided Design (CAD)
• Digital Mock-Up (DMU)
• Virtual Reality (VR)
• Computer Aided Process Engineering (CAPE)
• Computer Aided Manufacturing (CAM)

Die zugehörigen Softwarelösungen beschreiben das Produkt aus ihrer jeweiligen Sicht und sind nur für Teilbetrachtungen im Anforderungsmanagement von Nutzen.

Klassifizierung von Anforderungen

Moderne Industrieprodukte wie Automobile, Computersysteme, Fertigungsanlagen usw. haben so viele verschachtelte Anforderungen, dass die Anforderungsmenge kaum noch überschaubar wäre, wäre sie nur mit dem Endprodukt verknüpft.

Für die Entwickler, Fertigungsmitarbeiter usw. sind nicht alle Anforderungen gleichermaßen wichtig. Ein Konstruktionsingenieur für Antriebstechnik eines Flugzeuges muss beispielsweise nicht alle Anforderungen für die Sauerstoffversorgung, Klimaanlage, Bordelektronik oder Unterhaltungselektronik des Flugzeuges aus dem Stegreif wissen (es kann jedoch notwendig sein, dass er Anforderungen nachschlagen kann). Für ihn sind vor allem die Anforderungen an den Antrieb des Flugzeuges von Bedeutung. Alleine die Anforderungsmenge für die Antriebsmaschinen eines Flugzeuges überschreitet  den vierstelligen Bereich. Allein diese Menge an Anforderungen nur für eine Komponente verdeutlicht die Notwendigkeit einer intelligenten Datenbank als Kernpunkt im Anforderungsmanagement.

Anforderungen werden daher klassifiziert und mit ihrer Klasse verknüpft. Die Klassifizierung erfolgt nach Systemen.

• Klassifizierung nach Funktionen:
  z. B. nach Antrieb, Federung, Bremsen, Kühlung, Unterhaltungselektronik und Bordelektronik
• Klassifizierung nach Komponenten/Domänen:
  z. B. nach Motor, Getriebe, Bremse, Klimaanlage, Bordcomputer, Steuergerät
• Klassifizierung nach Projekten für Veränderungen
  z. B. Entwicklung eines Redesign / Facelift, einer Sportversion etc.

Die Klassifizierungen lassen sich selbst verschachteln oder als Baum darstellen (beispielsweise sind Lautsprecher Teil der Unterhaltungselektronik, welche wiederum Teil der Bordelektronik ist).

Quality Function Deployment (QFD)

QFD ist eine Vorgehensweise des Qualitätsmanagements im Rahmen der Produktgestaltung und -realisierung, welche das Anforderungsmanagement als (zentralen) Hauptbestandteil von sich selbst sieht.

Nennmaß: 120 Oberes Abmaß: +0,4 Unteres Abmaß: -0,6

Nach der Fertigung erfolgt eine Qualitätskontrolle. Ist das Istmaß eines Bauteils innerhalb der Toleranz, erfolgt keine Beanstandung. Zu kleine Teile sind in der Regel Ausschuss (sofern sie nicht mit zusätzlichem Material aufbereitet werden können), zu große Teile müssen nachbearbeitet werden.

Ein besonderer Knackpunkt in der Konstruktion und Fertigung ist die Bestimmung passender Größen unter Berücksichtigung der Toleranzen für Bohrungen und Wellen.

Für Passungen für Bohrungen und Wellen ist das IT-System (IT = Internationale Toleranz) nach der ISO zu beachten.
Zahlen von 1 bis 18 zeigen den Toleranzgrad an. Die Größe der Toleranz ist prozentual abhängig vom Nennmaß, denn bei kleinen Nennmaßen ist die Toleranz verhältnismäßig größer als bei größeren Nennmaßen.

Die Zahl gibt die Größe des Toleranzfeldes nach den ISO-Grundtoleranzen an, mit aufsteigender Zahl vergrößert sich das Toleranzfeld. Die dem Toleranzgrad zugeordnete Zahl ist somit das Kennzeichen für die Qualität bzw. Genauigkeit des Passungselementes.

In der Grafik werden die Toleranzangaben als Toleranzfelder angezeigt. Die obere Begrenzungslinie des Nennmaßes ist die Nulllinie (auch die untere Begrenzungslinie kann als Nullline verwendet werden). Kennbuchstaben geben das Grundabmaß (Großbuchstaben für die Bohrung, Kleinbuchstaben für die Welle) und damit eine bestimmte Position relativ zur Nulllinie an.

Die Maße für die Fertigung werden mit dem Nennmaß und der Toleranzklasse (Grundabmaß und Toleranzklasse) angegeben.

Die Ergonomie hat ganz allgemein das Ziel, eine menschengerechte Arbeits-/Produktgestaltung und eine bestmögliche Mensch-Maschine-Schnittstelle zu erreichen und dauerhaft zu gewährleisten. Dies ist keinesfalls ein “Öko-Gedanke” oder eine Nebensächlichkeit, denn hier geht es um die Aufrechterhaltung der Arbeitsfähigkeit und letztendlich auch um eine Effizienz beim Umgang mit moderner Technik.

Bei der Software-Ergonomie trifft die Software-Entwicklung auf die Psychologie und Arbeitswissenschaft. Vielfach reicht schon gesunder Menschenverstand, um in ergonomischer Hinsicht gute Software zu entwickeln. Immerhin arbeiten Software-Entwickler auch mit moderner Software wie Entwicklungsumgebungen (beispielsweise MS Visual Studio), welche ebenfalls in Sachen Ergonomie mehrmals überdacht wurde (man Vergleiche die verschiedenen Versionen untereinander).

Der Software-Entwickler ist  jedoch nicht alleine dazu fähig, eine durch und durch ergonomische Software zu entwickeln, denn dieser konzentriert sich eher auf die Kernfunktion der Software und ist von seinem Produkt grundsätzlich überzeugt und, sofern Eindrücke von Dritten nicht zur Software-Entwicklung vermittelt werden, von Natur aus völlig verblendet. Der Software-Entwickler (dass er in einem Entwickler-Team beteiligt ist, macht es kaum besser) ist ein Profianwender seiner Software und wird sich weder gut in einen Anfänger, noch in tägliche Alltagsprobleme hineinversetzen können.

Es ist aus der Zielgruppe für eine Software auch eine Ergonomieebene abzuleiten. Beispielsweise arbeiten mit einem Betriebssystem wie Microsoft Windows oder Microsoft Word Benutzer jeglicher Gruppen, so auch absolute Anfänger, während sich für spezielle Entwicklungsumgebungen oder CAD-Software andere Gruppen ergeben, welche wahrscheinlich nicht mehr darauf hingewiesen werden wollen, dass die Software automatische Zwischenspeicherungen vornimmt. Diese Zielgruppen verbringen unterschiedlich lange Zeitspannen mit der Software, haben unterschiedliches Vorwissen und Auffassungsgaben.

Die DIN ISO 9241 ist eine internationale Norm, welche für die Gestaltung von  Software (neben Hardware und der Arbeit mit IT-Systemen) -Ergonomievorgaben festsetzt und beachtet werden sollte. In der DIN ISO 9241-110 werden Grundsätze der Gestaltung von Dialogen in der Software definiert. Die Norm legt Grundsätze für eine Dialoggestaltung fest und ist somit von nicht geringer Bedeutung in der Software-Entwicklung, insbesondere, wenn es um die Windows-Programmierung geht.

Einige Grundsätze in der Dialoggestaltung in der Software-Entwicklung:

• Erlernbarkeit (Suitability for learning)
• Selbstbeschreibungsfähigkeit (Self-descriptiveness)
• Fehlerrobustheit (Error tolerance)
• Aufgabenangemessenheit (Suitability for the task)

Bei der Arbeitsgestaltung im Zusammenhang mit der Produktgestaltung und Produktauswahl, spielt die Anthropometrie eine wichtige Rolle.

Die anthropometrische Arbeits- und Produktgestaltung nutzt wissenschaftliche Erkenntnisse (z. B. aus statistischen Verteilungen) über Körpermaße, Körpergewichte und Körperproportionen in der Bevölkerung, zum Zwecke einer menschenfreundlichen Gestaltung von Produkten und Räumen hinsichtlich Dimensionierung und Anordnung von Elementen.

Mit Anthropometrie befassen sich Arbeitswissenschaftler und Ingenieure in Kooperation mit medizinischen Wissenschaften. Ein großer Teil der Anthropometrie ist nach DIN genormt.

Für Ingenieure der Produktgestaltung bedienen sich folgender Hilfsmittel / Methoden :

• Tabellenwerke mit statistischen Belegen über Körpermaße und
  Funktionsmaße
• Körperumriss-Schablonen (DIN 33458 Körperumrissschablone)
• CAD-Mensch-Modelle (CAD-Man-Model)
• Messpuppen, Dummy
• Empirische Untersuchungen (z. B. Mock-Up oder “Probesitzen”)
• u. a.

Je nach Anforderung und Zielgruppe, wird die gesamte Weltbevölkerung, eine regional eingegrenzte Bevölkerung oder eine bestimmte Personengruppe (Zielgruppe) als Referenz bzw. Datengrundlage genommen.

Neben Körpermaße werden auch daraus abzuleitende Funktionsmaße verwendet. Beispielsweise können aus den Längen der Gliedmaßen Bewegungs- und Greifräume ermittelt werden. Aus Angaben über Körperfettangaben und Gewicht, können Bewegungsgeschwindigkeiten oder aus weiteren Angaben auch Körperhaltungen oder Gesichtsfelder bzw. Sehachsen abgeleitet werden.

Die Ergebnisse aus der Anthropometrie sind für die Arbeits- und Produktgestaltung von hoher Bedeutung.
Ziel ist es, Arbeitsplätze bzw. Produkte so zu gestalten, dass sie allgemein für Menschen schädigungsfrei und effizient und gegebenenfalls durch individuelle Anpassungsmöglichkeiten verwendet werden können.

Nur selten können Arbeitsplätze / Produkte so gestaltet werden, dass wirklich jedes Individuum problemlos damit umgehen könnte. Dann gilt es, dass das entsprechende Produkt einem möglichst großen Teil der Bevölkerung ohne Beschwerden oder besondere Belastungen genutzt werden kann.

Kurzeinführung in die anthropometrische Probleme

Für die Gestaltung von Arbeitsplätzen und Produkten (welche vom Menschen bedient werden) müssen geeignete Dimensionen gefunden werden. Dies sind beispielsweise Tischhöhen, Flächen von Tasten, Höhenanordnung von Bedienelementen oder Abmaße von Sitzflächen.

Es liegen statistische Verteilungen über Körpergrößen und andere Werte von Männern und Frauen bestimmter Altersgruppen. Es können nicht alle Werte berücksichtigt werden, doch welche Werte sind geeignet?

Mittelwerte bieten keine befriedigende Aussage. Würde eine Türhöhe- und breite nach Durchschnittsgröße konstruiert werden, würde bis zu der Hälfte der Bevölkerung nicht komfortabel durch die Tür kommen können.

Extremwerte sind wirtschaftlich (und zudem oft auch ästhetisch) kaum vertretbar oder werden nur als Sonderausführung umgesetzt. Eine Türhöhe und -breite müsste dazu sehr hoch und sehr breit werden. Bei vielen anderen Produkten schließen sich Auslegung nach minimalen oder maximalen Ausprägungen (Extreme) sogar gegenseitig aus, es müssten dann unterschiedliche Ausführungen geschaffen werden.

In der Regel wird sich auf einen akzeptablen Anteil der Bevölkerung beschränkt. Die Auslegung orientiert sich daher in den meisten Fällen auf das Perzentil als Orientierung.
Durch das Perzentil werden bei der Auslegung von Arbeitsplätzen/Produkten die jeweils 5 % der größten und kleinsten
Ausprägungen (grundsätzlich für Männer und Frauen getrennt berücksichtig) nicht berücksichtigt.

• 5. Perzentil = 5 % der Population sind kleiner

• 95. Perzentil = 95 % der Population sind kleiner

Dies bedeutet, dass die Auslegung für 5 % der Bevölkerung (5. Perzentil) zu groß und 95 % der Population zu klein ist.

Das 50. Perzentil ist der Mittelwert und für die Gestaltung von Arbeitsplätzen und Produkten in der Regel von geringer Bedeutung. Für viele Produkte werden auch größere Perzentile gewählt (z. B. das 15. und 85. Perzentil).

Ausnahmen sind sicherheitsrelevante Produkte, für welche auch seltenere Eigenschaften nicht unberücksichtigt sein dürfen. Hier werden zumindest das 1. und 99. Perzentil zu Grunde gelegt oder besser gar keine Ausnahmen mehr gemacht.

Daher sind folgende Werte für nicht-sicherheitsrelevante Produkte im engeren Fokus:

• 5. Perzentil Frauen („kleine Frau“)
• 5. Perzentil Männer („kleiner Mann“)
• 50. Perzentil Frauen („mittlere Frau“)
• 50. Perzentil Männer („mittlerer Mann“)
• 95. Perzentil Frauen („große Frau“)
• 95. Perzentil Männer („großer Mann“)

Frauen sind weltweit durchschnittlich kleiner als Männer, dies gilt natürlich auch für die Perzentile (Über den Daumen: 50. Perzentil von Frauen entspricht etwa dem 5. Perzentil von Männern; das 95. Perzentil von Frauen entspricht etwa dem 50. Perzentil von Männern).

Für gewöhnlich wird für die Auslegung das 5. Perzentil von Frauen (= der kleinste Wert) und das 95. Perzentil von Männern (= der größte Werte) als Kleinst- und Größtmaß genommen.

Innenmaße, wo Menschen “hineinpassen” müssen, werden an das obere Eckmaß (95. Perzentil, Männer) orientiert.
Innenmaße sind z. B. die Höhe und Breite von Durchgängen, die Fläche von Bedienelementen (z. B. Tasten), die Höhe von Tischunterkanten oder die Größe von Öffnungen zum Hineinfassen. Hier sollen auch große Menschen hineinpassen.

Außenmaße („Erreichen“) werden nach dem unteren Eckmaß (5. Perzentil, Frauen) angepasst. Griffweiten zu Bedienelementen, Tiefen von Arbeitsplatten, Höhen von erreichbaren Elementen oder Höhen von Stufen sind Beispiele für Außenmaße. Hier sollen auch die kleineren Menschen zurechtkommen.

Sachbezogene Daten, die zu einer technischen Zeichnung gehören:

• Bezeichnung/Benennung (optional mit kurzer Funktionsbeschreibung)
• Klassifizierungsnummer (Teilgruppenzuordnung)
• Identnummer (Endprodukt vs Baugruppe vs Einzelkomponente)
• Gewicht
• Änderungsfelder:  Änderungsindex und -nummer, Änderungszeitpunkt (mindestens Datum), Ersatzangaben

Strukturelle Daten, die zu einer technischen Zeichnung gehören:

• Zeichnungsnummer (nicht unbedingt identisch mit der Teile-Identnummer)
• Erstellungszeitpunkt (mindestens Datum) der Fertigstellung
• Personendaten von Konstrukteur/Bearbeiter/Prüfer/Abnehmer: personelle Nummer, Name, Abteilung
• Unternehmens-/Betriebsbezeichnung und Eigentümer (Nutzungsrecht)
• Abbildungsmaßstab und Zeichnungsformat
• Darstellungsbeschreibung (z. B. Schnittansichten, Konstruktionsdetails)

Technische Daten, die zu einer technischen Zeichnung gehören:

• Geometrie: Abbild und Abmessungen
• Werkstoff: Bezeichnung, Ausgangszustand (z. B. vergütet)
• Toleranzen
• Oberflächen: Oberflächengüte, Härte, Rauheit, Oberflächenschutz/Beschichtung (z. B. Galvanisierung, Verchromung usw.), Nachbearbeitung
• Qualitätssicherungsvorgaben (Lager-/Transportbedingungen, Testverfahrensvorschläge usw.)
• Fertigungsvorgaben: Vorgaben für Teilefertigung und Montage

Technische Zeichnungen beschreiben die technischen Eigenschaften, welche sich drei Bereichen zuordnen lassen:

1. Geometrieparameter: (Geometriekonstruktion)
   Bestimmung der Abmaße, Anzahl, Position, Bohrungsdaten usw.
2. Technologieparameter: (Werkstoff-/Fertigungstechnische Konstruktion)
   Bestimmung der Oberflächengüte, Toleranzen, Bearbeitungsvorgaben, Passungsdaten usw.
3. Funktionsparameter: (Physikalisch/Chemisch)
   Analyse der Tragfähigkeit, Belastungsverlauf, Thermisches Belastungsvermögen, Durchbiegung, Torsionsmoment, Korrosionsbeständigkeit usw.

Beim Lesen einer Konstruktionszeichnung wird der Betrachter mit sehr vielen Informationen überflutet. Es gilt im ersten Schritt um die Bestimmung der Hauptfunktion des Konstruktionsgegenstands.

Bei dem Einstudieren der Zeichnung ist die erste Methode, Funktionsflächen und freie Flächen ausfindig zu machen voneinander zu unterscheiden. Während Funktionsflächen eine (meist mechanische) Funktion übernehmen, wie beispielsweise Zahnräder, Lager, Dichtungen, Bohrungen und Schrauben, sind freie Flächen konstruktionsspezifisch funktionslos und verbinden oder ergänzen die die Funktionsflächen. Freie Flächen übernehmen jedoch immer noch eine technologische oder zumindest designerische Funktion (sonst wären sie verzichtbar), beispielsweise dienen sie der Umleitung oder Befestigung von Material (Einspannung oder Anstoß an feste Körper, Leitung von Flüssigkeit und Gas).

Funktionsflächen sind die wesentlich genauer zu definierenden Flächen (Toleranzen, Passungen, Bearbeitungsverfahren usw.)

In der Technischen Zeichnung sind alle notwendigen Informationen über ein Bauteil, Baugruppe und/oder ein komplettes Produkt zu treffen, insbesondere über die Maße, Funktion, Fertigungs- und Prüfungsverfahren.

Technische Zeichnungen müssen konstruktionsgerecht sein:

• Vollständigkeit: Konstruktionsunterlagen müssen das Produkt technologisch vollständig beschreiben und dürfen keine Details auslassen. Da dies i.d.R. über mehrere, verschiedene Zeichnungen und Tabellen geschieht, sind diese dem Zusammenhang entsprechend zu kennzeichnen bzw. zu nummerieren
• Verständlichkeit: Technische Zeichnungen müssen übersichtlich und ohne Interpretationsspielraum, gut lesbar und verständlich sein, Mehrdeutigkeiten sind zu vermeiden oder entsprechend durch Beschreibung zu umgehen
• Normgerechtheit: Technische Zeichnungen und sonstige Konstruktionsunterlagen sollen nicht nur den innerbetrieblichen Normen, sondern auch den überbetrieblichen Normen entsprechen
• Inhaltliche Richtigkeit, Widerspruchsfreiheit und Fertigungsgerechtheit: Die Konstruktionen haben nur eine Relevanz, wenn sie richtige Tatsachen abbilden und auch umsetzbar in der Fertigung sind. Die Fertigungsgerechtheit ist nicht nur technisch bedingt, sondern auch wirtschaftlich. Dies betrifft beispielsweise die Bemaßung (richtige Größe), Toleranzen (Grundsatz: Je geringer die Toleranz, desto teurer die Fertigung) und die Werkstoffauswahl

Aus betriebswirtschaftlicher Sicht, ist die Produktentstehung, besonders die Kernvorhaben der Produktfindung und -realisierung, eine sich erst nach der Produktenstehung auszahlende Investition.

Grob interpretiert kann der wirtschaftliche Produktlebenszyklus (der Produktlebenszyklus am Markt) in sieben Phasen gegliedert werden.
Die ersten zwei Phasen (rot hinterlegt) sind die Kern-Phasen der Produktentstehung. Während dieser Phasen ist dem Markt das Produkt noch nicht zugänglich (Ausnahmen: Test-Versionen, Prototypen). Diese Produktphasen sind die größten Investitionsphasen des Unternehmens, welches mit der Planung und insbesondere der Realisierung einen hohen Verlust einfährt.
Dieser hohe Verlust muss in den Marktphasen (blau hinterlegt) wieder mindestens kompensiert werden, dabei ist besonders die Reifephase und der Marktabsatzhöhepunkt des Produkts auszunutzen.

Produktfindung

Die Ideenfindung für Produkte bzw. die Methodik hierfür ist von Unternehmen zu Unternehmen unterschiedlich. Viele Unternehmen sind erst aus einer Produktidee heraus entstanden.

Bestimmte unternehmens-/marktseitige Faktoren lenken auf eine Produktidee zu.

Interne Faktoren: Unternehmensziele, die Ressourcen, Kapital, Kapazitäten, Forschungsschwerpunkte, Risikoeinsatzbereitschaft sind einige der unternehmenseigenen Faktoren.

Externe Faktoren: Die Marktentwicklung, Marktpotenzial, Rechtsvorschriften, Patente, technologische Standards sind einige der marktspezifischen Faktoren.

Ideenfindungsmethoden sind Kreativitätsmethoden, beispielsweise:

• Delphi-Methode (Ideen-Delphi):
  Befragungsmethodik mit Schätzungsanteil
• Brainstorming:
  Gedanken aufschreiben und erst später sortieren und werten
• Methode 635:
  Gruppenteilnehmer schreiben Ideen nieder, welche von anderen Gruppenteilnehmern aus deren individueller Sicht zu erweitern sind
• Relevanzbaumanalyse:
  Ein bestimmtes Ziel (Wurzel) wird durch welche Entscheidungen erreicht? Diese Entscheidungen zwischen Attributen werden beschrieben und dabei möglicherweise neue Zielerreichungswege gefunden
• Morphologisches Schema:
  In einem morphologischen Kasten werden Parameter (Eigenschaftskategorien) gesetzt und hierfür Alternativen gefunden.
• Tilmag-Methode:
  Transformation Idealer Lösungselemente durch Matrizen der Assoziations- und Gemeinsamkeitenbildung
• Bionik:
  Schon seit der Steinzeit versuchen Menschen Ideen von der Natur zu kopieren. Sehr viele Konstruktionen aus der Automobiltechnik, Robotik und Luft-/Raumfahrt sind Nachahmungen der Welt der Flora und Fauna

Die Ideenfindung erübrigt sich zum großen Teil, wenn das Unternehmen Aufträge (externe Ideeneinbringung) annimmt. Der Auftraggeber und Auftragnehmer haben dann eine Anforderungsliste, Lasten- und Pflichtenheft auszuarbeiten.

Anforderungen an Produkte

Anforderungen werden von unterschiedlichen Standpunkten aus gestellt.

• Absatzanforderungen (Nachfragersicht):
  • Konstruktive / Funktionale Eignung
  • Ergonomische Eignung
  • Betriebseignung
  • Wirtschaftlichkeit
• Herstelleranforderungen (Anbietersicht):
  • Beschaffungsfähigkeit
  • Entwicklungsfähigkeit
  • Vertriebsfähigkeit
  • Gewinnpotenzial (wirtschaftliches Potenzial)

Für einen Unternehmer eines mittelgroßen bis großen, produzierenden Gewerbes verursacht die Konstruktion und Arbeitsvorbereitung gegenüber dem Einkauf, der Fertigung und oft auch der Verwaltung geringe Kosten. Die Konstruktion arbeitet kaum mit Verbrauchsmaterial, die verursachten Kosten entstehen eher durch die Personalkosten des im Schnitt sehr hoch qualifizierten Personals und der IT-Ausstattung. Ähnlich ist dies bei der Arbeitsvorbereitung.

Die Arbeitsvorbereitung und insbesondere die Konstruktion haben eine sehr hohe Verantwortung zum kostenbewussten Planen. Denn mit jeder Konstruktion und jedem Arbeitsplan werden zukünftige Produkteigenschaften bzw. Vorgehensweisen festgelegt, welche damit auch zukünftige Kosten vor allem in anderen Bereichen festlegen, insbesondere dem Einkauf und der Fertigung, aber auch in der Logistik und in dem Qualitätsmanagement.

Denn nur eine Konstruktion mit technisch angemessenen, jedoch dennoch wirtschaftlichen zu beschaffenen und zu bearbeitenden/fertigen Materialien ermöglichen dem Einkauf und der Fertigung, die Kosten gering zu halten. Die Toleranzvorgaben und Fertigungseinschränkungen der Konstruktion müssen ebenfalls technisch angemessen, eine anzustrebende Produktqualität gewährleisten, aber dennoch zugleich möglichst wirtschaftlich herstellbar sein.

Auch der Einkauf, die Fertigung, Logistik, Qualitätsmanagement bis hin (im eher geringem Umfang) zur Verwaltung, haben einen Einfluss auf die entstehenden Kosten, so müssen die günstigsten Lieferanten gefunden, Handelsspannen genutzt, die geringsten Fertigungs- und Transportkostenwege gefunden werden sowie die Verwaltungskosten reduziert werden.

Dennoch hat die Konstruktion neben der Arbeitsvorbereitung in der Regel den höchsten Einfluss auf die Produktionskosten und somit eine besondere Verantwortung zum kostenbewussten Denken und Arbeiten.

Die Konstruktion ist als Kern der Produktentstehung auch ein Kern der Produktgestaltung, die Arbeitsvorbereitung ist Kern der Prozessgestaltung. Produktgestaltung und Prozessgestaltung als Produktions-Know-How haben eine sehr hohe Verantwortung für den wirtschaftlichen Erfolg des Unternehmens zu tragen.

Heutige informationsverarbeitende Systeme, Softwarelösungen, können Konstruktionszeichnungen (elektrische Schaltungen genauso wie mechanische Konstruktionen) mit “Leben” erfüllen. So sind bewegliche, dreidimensionale Modelle darstellbar, in Baugruppen virtuell integrierbar und verschiedenste Simulationen möglich.

Diese Werkzeuge werden allgemein als CAD (Computer Aided Design) bezeichnet.

Ein reales Objekt wird im CAD-System mit Informationen beschrieben, welche im richtigen System zusammengefügt ein virtuelles Abbild des realen Objekts ergeben. Die Informationen sind Daten über die Geometrie der Körper und der Topologie, den logischen Zusammenhang der Körper.

Räumliche Dimensionen

Zweidimensionale Modelle (2D) werden nur jeweils für eine bestimmte Seitenansicht erstellt. Typischerweise werden 3 Skizzen, von vorne (x,y-Dimensionen), von der Seite (z,y-Dimensionen) und von Oben/Unten (x,z-Dimensionen) ausgearbeitet, mit welchen sich ein mittelmäßig komplexes Gebilde sehr gut beschreiben lässt.

Für 2,5 D-Modellierer (auch 2 1/2 D) gibt es keine einheitliche Bezeichnung, aber verschiedene Verfahren. Letztendlich werden die Modelle nur zweidimensional (2D) beschrieben, werden jedoch so gedehnt, dass ein räumlicher Eindruck entsteht.

Heutige CAD-Software erstellt komplette, dreidimensionale Modelle (3D), welches sich rotieren und vielfältig verändern lassen.

Rechnerinterne Darstellung (RID)

Die rechnerinterne Darstellung ist eine virtuelle Modellbeschreibung, welche dadurch entsteht, dass Daten (Geometriedaten und Attribute) in eine Struktur (Gliederung mit Abhängigkeiten) gebracht und mit Hilfe von Algorithmen (aus verschiedenen Perspektiven) dargestellt werden.

Generell bestehen CAD-Systeme aus vier Schichten:

• Informationsschicht – Beschreibung der Modelleigenschaften
  Das Informationsmodell besteht aus Informationen über Volumen, Flächen, Konturen und/oder Punkte.
  Die Schicht definiert ein abstraktes Abbild, welches jedoch sehr funktional ist
• Datenschicht - Zusammensetzung der Modellgeometriedaten
  Im Datenmodell werden die Informationen (Informationsschicht) als Objekte, Attribute und Relationen in eine Anordnung/Hierarchie gebracht. Es handelt sich um ein logisches System, die Modelldarstellung wird Hilfe von Operationen (boolesche Algebra) definiert wird.
• Speicherungsschicht – Funktionalität des CAD-Systems
  Im Speicherungsmodell, eine programmierte Darstellung, werden Felder, welche die Informationen tabellenartig halten, mit Zeigern (Relationen) verbunden, die Funktionalität des CAD-Systems (Abbild, Bewegung, Rotation, Biegung etc. des Modells) wird mit Algorithmen, bestehend aus Operationen einer Programmiersprache (i.d.R. C++, objektorientiert) erreicht.
• Speicherschicht – Software-Hardware-Verbund
  Das Speichermodell liegt physikalisch auf der Festplatte und im Arbeitsspeicher des Computers. Hierbei handelt es sich um eine reine rechnerinterne Darstellung und liegt in Maschinencode vor.

Zellenmodelle

Die Zellenmodelle können in zwei grundlegend verschiedene Pixelmodelle unterschieden werden.

Das vereinfachte Pixelmodell ist das Einheitsgitter (2D) bzw. Einheitswürfelgitter (3D). Bei diesem Modell wird das gesamte Modellbild und die Umgebung des Modells hinsichtlich der Pixel nicht unterschieden. Das gesamte Bild des CAD-Programms wird in gleichgroße, gleichmäßig verteilte Quadrate (Pixel) aufgeteilt.

Das erweiterte Pixelmodell ist das Pixel-System Quadtree (2D) bzw. Octree (3D).

Quadtree	Octree

Dieses erweiterte Pixelmodell teilt das gesamte Bild ebenso in Quadrate auf, jedoch werden die Quadrate hinsichtlich ihrer Größe dynamisch angepasst. Teilbereiche des Bilds mit hohem Detailgrad werden mit mehreren, kleineren (angepasst an den Detailgrad) Pixel dargestellt, während detaillose Bereiche nur mit sehr großen Pixel visualisiert wird. Dadurch wird Speicherplatz gespart.

B-Rep vs CSG

Es gibt zwei grundlegende Methoden zur Erstellung komplexer Figuren, CSG (Constructive Solid Geometry) und B-Rep (Boundary Representation).
Einem modellierten Gebilde sieht man es kaum an, ob es mit CSG oder B-Rep modelliert wurde.

B-Rep (Verfahren) stellt jedes Gebilde mit Flächen dar, welche nur noch an den richtigen Punkten verknüpft werden müssen. Es werden ausschließlich die Begrenzungsoberflächen und ggf. Verknüpfungspunkte (zum Schließen von Volumen) definiert. Dabei entsteht ein regelrechtes Netzwerk aus Flächengeometriedaten und Verknüpfungspunkten. Der Speicherbedarf ist mit B-Rep daher sehr groß. Mit B-Rep ist es leicht möglich, einige Kanten und Ecken auch eines sehr komplexen Gebildes nachzubearbeiten. B-Rep gilt als eine indirekte Modellierungsform, da Volumen erst durch Flächenanordnungen interpretiert werden.

CSG (Verfahren) setzt komplexe Gebilde aus kleineren, geometrisch sehr einfachen Grundkörpern (Würfel, Pyramiden, Zylinder, Kugeln usw.)  zusammen. Die einfachen Körper liegen bereits als Volumenmodell vor und müssen nur noch hinsichtlich der Kantenlängen und ggf. Winkel angepasst werden. Mit booleschen Operatoren (Vereinigung, Differenz, Durchschnitt) werden die einfachen Körper zu komplexeren Gebilden zusammengesetzt, dabei entsteht eine Topologie aus Volumenkörpern in Form eines binären Baums; die richtige Platzierung geschieht über Koordinatensetzung. Der Speicherbedarf bleibt mit dem Einsatz von CSG relativ gering, die Bearbeitung, insbesondere partielles Ändern der Geometrie, ist jedoch sehr unflexibel.

Modelldarstellungen

Im Drahtmodell (oder auch: Linienmodell, engl.: Wireframe Model) werden nur Punkte gesetzt und miteinander verbunden. Dieses Modell lässt sich schnell berechnen und abspeichern. Die Modellabbildungen können jedoch mehrdeutig werden, da sich die Linien überlagern und nicht feststeht, wo eine Fläche liegt und wo nicht.

Das Flächenmodell (engl.: Surface Model) definiert Begrenzungsflächen, jedoch entstehen immer noch in manchen Abbildungen Mehrdeutigkeiten, da zwar Flächen festgelegt sind, jedoch keine Volumen. Es könnte also unklar bleiben, wo sich Material befindet und wo nicht.

Im Volumenmodell (engl.: Volume Model) werden ganze Volumen beschrieben, es wird festgelegt, wo sich genau Material befindet und wo nicht.
Dadurch muss ein Modell häufig viel gedreht / gewendet oder das Modell geschnitten werden, da die Volumen andere Details verdecken.

Die meisten heutigen CAD-Programme beherrschen alle drei Darstellungsformen, welche sogar binnen Millisekunden gewechselt werden können.

Die Konstruktion ist auch eine Kompromissfindung, denn Funktionsziele und Anforderungen an ein Produkt sind häufig widersprüchlich (z. B. praktischer Nutzen gegenüber Umweltfreundlichkeit gegenüber Kosteneffizienz).

Der Konstruktionsvorgang gliedert sich in die Konstruktionsunterprozesse:

• Planen und Konzipieren – Produktanforderungen suchen und festlegen, Funktionsstrukturierung, Skizzierung
• Entwerfen (Konstruieren) – Entwürfe erstellen, Technische Zeichnung
• Ausarbeiten – Feinheiten, Toleranzen, Rauheiten usw. bestimmen, Dokumentation

Das Kernwerkzeug der Konstruktion ist die Technische Zeichnung. Die Technische Zeichnung ist die zeichnerische Darstellung eines Produktes oder Bauteile davon. Die Technische Zeichnung ist ein wichtiges Mittel zur Wissensübermittlung über eine Konstruktion und kann nicht durch textliche Beschreibungen ersetzt, sehr wohl aber ergänzt, werden.

In der Technischen Zeichnung sind alle notwendigen Informationen über ein Bauteil, Baugruppe und/oder ein komplettes Produkt zu treffen, insbesondere über die Maße, Funktion, Fertigungs- und Prüfungsverfahren.

Bei der Anfertigung und Weitergabe einer Technischen Zeichnung ist zu berücksichtigen, dass diese nicht nur inhaltlich korrekt, eindeutig und verständlich ist, sondern auch, dass sich die Zeichnung (und das erzielte Endteil) an geltende Normen hält.

Technische Zeichnungen nach modernen Anforderungen an Produkte und Verfahren der Konstruktion und Fertigung zu erstellen verlangt Übung und Erfahrung. Die Erstellung Technischer Zeichnungen erfordert gewisses Abstraktionsvermögen, räumliches Denken, Kenntnisse der Geometrie und Kreativität (direkte Anforderungen) sowie Kenntnisse in Werkstoffkunde, Fertigungstechnik und technische Mechanik, außerdem ist der Umgang mit komplexen, konstruktionsunterstützenden Softwarelösungen zu arbeiten. Immer wichtiger werden im Hinblick auf Konstruktionsprozesse und Produktspezifikationen wirtschaftliche Aspekte. Mit etwas Distanz interagiert die Konstruktion auch mit Marketingwissen.

Moderne Konstruktionen werden selten von Grund auf neu entworfen, sondern basieren auf bereits vorhandene Konstruktionen von Maschinenelementen und machen sich diese zu Nutzen. Konstruktionsingenieure müssen daher auch in Sachen Maschinenelemente auf dem aktuellen Stand sein.

Auch komplexe Eigenkonstruktionen werden nicht immer komplett neu konstruiert, bereits geschaffene Konstruktionen werden als Basis genutzt und nur noch angepasst. Etablierte konstruierende Unternehmen arbeiten eher zu einem geringen Anteil an Neukonstruktionen.