Um als Unternehmen oder externer Dienstleister im Bereich R&D wettbewerbsfähig zu bleiben und an den steigenden Umsatzprognosen teilzuhaben, bedarf es der Anwendung von effizienten Entwicklungsprozessen und Vorgehensmodellen. Ein Kernpunkt aller Entwicklungsprozesse in der Industrie ist die Erstellung von Prototypen. Durch die Prototypen werden entwickelte Produkte visualisiert, um die Produkteigenschaften weiter zu verfeinern beziehungsweise das Produkt auf seine festgelegten Anforderungen anhand der Prototypen zu prüfen. Um die Dauer bis zur Erstellung des Prototyps zu reduzieren, wurde der Prozess des Rapid Prototyping eingeführt. Dieser Prozess des Rapid Prototyping wird in der vorliegenden Arbeit beleuchtet.
Das Ziel der Arbeit ist die Vorstellung eines Rapid Prototyping Vorgehensmodells. Dabei sollten Vorteile bei der Entwicklung von komplexen mechanischen Systemen erläutert werden. Außerdem sollte das Vorgehen des Prozesses anhand eines Beispiels gezeigt werden. Dabei sollte auch die mögliche Unterstützung beim Vorgehen von Matlab Simulink, sowie der Aspekt der Wiederverwendung diskutiert werden.
Das Assignment besteht aus vier Kapiteln. Die Einleitung gibt eine kurze Einführung in das Thema und erörtert den Aufbau und das Ziel der Arbeit. Im zweiten Kapitel werden einfache Vorgehensmodelle in der Produkt- und Systementwicklung, der Produktentwicklungsprozess und das Rapid Prototyping als Prozess vorgestellt. Nachfolgend werden im dritten Kapitel die im zweiten Kapitel erläuterten Modelle und Prozesse anhand eines Beispiels angewandt. Hierbei wird auch die mögliche Anwendung von Matlab Simulink besprochen. Das Assignment schließt im vierten Kapitel mit einer kritischen Würdigung und einem Fazit ab.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Einführung
1.2 Ziel und Aufbau der Arbeit
2. Vorgehensmodelle
2.1 Vorgehensmodelle im Produkt- und Systementwicklungsprozess
2.2 Rapid Prototyping
3. Anwendung des Rapid Prototyping Verfahrens im V-Modell anhand des Beispiels: Rennradtretkurbelsystem
3.1 Direct Mount Tretkurbelsysteme an Rennrädern
3.2 Rapid Prototyping - Produktenwicklung Kurbelarm
3.2.1 Analyse und Anforderungserhebung Kurbelarm
3.2.2 Modellierung und Simulation
3.2.3 Erstellung des Prototyps
4. Kritische Würdigung der wissenschaftlichen Arbeit und Fazit
Zielsetzung und Themenbereiche
Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Vorstellung eines Vorgehensmodells für Rapid Prototyping, insbesondere zur effizienten Entwicklung komplexer mechanischer Systeme. Die Forschungsfrage befasst sich mit der methodischen Anwendung dieses Prozesses unter Einbeziehung von Matlab Simulink sowie dem Aspekt der Wiederverwendung von Simulationsumgebungen.
- Grundlagen von Vorgehensmodellen im Produktentwicklungsprozess (PEP)
- Prozessablauf des Rapid Prototyping in der Mechatronik
- Anwendung des V-Modells anhand der Entwicklung eines Rennradtretkurbelsystems
- Nutzung von Matlab Simulink zur Simulation und Parameteroptimierung
- Verfahren der additiven Fertigung (SLM) zur Prototypenerstellung
Auszug aus dem Buch
3.2.2 Modellierung und Simulation
Nun werden die vorhandenen Anforderungen in einer computergestützten Simulationsumgebung modelliert. Das gewählte Programm ist Matlab Simulink, welches eine interaktive grafische Entwicklungsumgebung bietet. In Matlab Simulink können lineare und nichtlineare dynamische Systeme modelliert und simuliert werden. Nichtlineare Zusammenhänge werden blockorientiert gewonnen.
Das Kurbelsystem samt relevanter Einflüsse wird nun mit allen Parametern in ein mathematisches Modell transformiert und grafisch mit Funktionsblöcken in Matlab Simulink nachgebildet. Jetzt kann das abgebildete Modell simuliert werden. Die Parameter des Modells können beliebig geändert werden, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist. Somit können schnell und kostengünstig ohne einen physischen Prototyp oder durch Experimente Erkenntnisse gewonnen werden. Auch die Parameter der Struktur können im Modell abgeändert werden, dabei ist nur darauf zu achten, dass die Struktur technisch herstellbar ist. Dabei sollte ein ständiger Austausch mit dem jeweiligen Konstrukteur stattfinden. Durch diesen Austausch entsteht gleichzeitig ein 3-D Modell, das später zur Herstellung des Prototyps verwendet werden kann. Durch Simulation des Modells können Beanspruchungen und Spannungsverteilungen des Bauteils anhand von Diagrammen oder Grafiken ausgegeben werden. Anhand der Diagramme können die Ergebnisse mit den Anforderungen verglichen werden. Mögliche Diagramme und Grafiken sind in der Abbildung 7 und Abbildung 8 dargestellt. Abbildung 7 zeigt dabei schematisch ein mögliches bruchmechanisches Verhalten des Kurbelarms unter dynamischer Beanspruchung. Damit können die Parameter des Kurbelarms auf Dauerfestigkeit ausgelegt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Dieses Kapitel erläutert die Relevanz von time to market (TTM) in der Produktentwicklung und definiert das Ziel der Arbeit, ein effizientes Rapid Prototyping Vorgehensmodell vorzustellen.
2. Vorgehensmodelle: Hier werden gängige disziplinübergreifende Vorgehensmodelle und der Prozess des Rapid Prototyping als Verfahren zur schnellen Herstellung von Musterbauteilen analysiert.
3. Anwendung des Rapid Prototyping Verfahrens im V-Modell anhand des Beispiels: Rennradtretkurbelsystem: Dieses Kapitel führt die praktische Anwendung des Modells aus, von der Anforderungserhebung über die Simulation in Matlab Simulink bis hin zur additiven Fertigung mittels SLM.
4. Kritische Würdigung der wissenschaftlichen Arbeit und Fazit: Der Autor reflektiert die erreichten Ziele, kritisiert die Detaillierungstiefe bei komplexen Systemen und bewertet die Zukunft des Rapid Prototyping unter Berücksichtigung ökonomischer Faktoren.
Schlüsselwörter
Rapid Prototyping, Produktentwicklungsprozess, Matlab Simulink, V-Modell, Rennradtretkurbelsystem, Selective Laser Melting, SLM, Mechanische Systeme, Simulation, Anforderungsanalyse, Dauerfestigkeit, Additive Fertigung, Leichtbau, Prototyp, Modellierung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die Optimierung von Produktentwicklungsprozessen durch den Einsatz des Rapid Prototyping, um Entwicklungszeiten zu verkürzen und wettbewerbsfähig zu bleiben.
Welche zentralen Themenfelder werden abgedeckt?
Zentrale Themen sind Vorgehensmodelle für die Produktentwicklung, simulationstechnische Abläufe in Matlab Simulink und moderne additive Fertigungsverfahren wie Selective Laser Melting (SLM).
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Vorstellung eines Rapid Prototyping Vorgehensmodells, das anhand eines praktischen Anwendungsbeispiels inklusive Software-Simulation erprobt und erläutert wird.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine modellbasierte Vorgehensweise unter Anwendung des V-Modells gewählt, kombiniert mit einer strukturierten Anforderungen-Analyse und virtueller Simulation zur Vorbereitung einer additiven Fertigung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Betrachtung von Vorgehensmodellen und die praktische Anwendung an einem Direct Mount Tretkurbelsystem, bei der auch simulationsgestützte Parameteranpassungen diskutiert werden.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich maßgeblich durch die Begriffe Rapid Prototyping, Produktentwicklungsprozess, Matlab Simulink und Selective Laser Melting charakterisieren.
Warum wird gerade Matlab Simulink für die Modellierung herangezogen?
Matlab Simulink bietet eine interaktive grafische Entwicklungsumgebung, die es ermöglicht, lineare und nichtlineare dynamische Systeme schnell zu simulieren und Parameter flexibel anzupassen, ohne sofort physische Prototypen erstellen zu müssen.
Welche Rolle spielt die Wiederverwendbarkeit in diesem Prozess?
Die Wiederverwendbarkeit ist ein entscheidender Vorteil, da die für den Testzweck erstellte Simulationsumgebung bei Neuentwicklungen genutzt werden kann, was die Entwicklungszeiten spürbar reduziert.
Was sind laut Fazit die größten Hürden für den Mittelstand beim Rapid Prototyping?
Die hohen Investitionskosten für Hardware, spezialisierte Software und qualifiziertes Personal stellen eine signifikante Einstiegsschwelle für kleinere Unternehmen dar.
- Arbeit zitieren
- Florian Haider (Autor:in), 2022, Rapid Prototyping mit MATLAB Simulink, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1254389
