Mechanische Konstruktion ist die Konstruktion der mechanischen Strukturen von Maschinen, Geräten und deren Bauteilen – vom Bedarf und den Anforderungen des Anwenders bis zu den Fertigungs- und Montagezeichnungen. Sie ist ein Oberbegriff, der Maschinenkonstruktion, Gerätekonstruktion und die Konstruktion von Maschinenelementen umfasst. Ein Konstrukteur bringt Funktion, Festigkeit, Sicherheit, Fertigungsgerechtheit und Kosten so in Einklang, dass das Gerät ohne Überraschungen gefertigt und in Betrieb genommen werden kann.
Bei Hefmec übernehmen wir die mechanische Konstruktion von Produktionsmitteln, Lastaufnahmemitteln, Sondermaschinen, Stahlkonstruktionen sowie für die Produktentwicklung unserer Kunden. In diesem Artikel erklären wir, was mechanische Konstruktion in der Praxis umfasst, was ein Konstrukteur tut und wann es sich lohnt, Konstruktionsleistungen extern einzukaufen.
Was umfasst mechanische Konstruktion?
Mechanische Konstruktion wird häufig danach unterteilt, was konstruiert wird. Im Alltag überschneiden sich die Begriffe, die Unterscheidung hilft aber festzulegen, welche Kompetenzen ein Projekt benötigt.
| Begriff | Was konstruiert wird | Beispiele aus unseren Projekten |
|---|---|---|
| Mechanische Konstruktion | Oberbegriff für jede Konstruktion mechanischer Strukturen | – |
| Maschinenkonstruktion | Maschinen mit beweglichen Teilen, Antrieben und Steuerung | Druckprüfgerät für Ventile, Spezialwerkzeuge für eine Montagezelle für Fahrzeugteile |
| Gerätekonstruktion | Produktionsgeräte und Vorrichtungen | Schweißvorrichtung für Blechteile von Fahrzeugbatterien, reinraumtauglicher Formatteilwagen |
| Konstruktion von Maschinenelementen | Einzelne Bauteile und ihre Verbindungen | Greifer für einen Knickarmroboter für Fahrzeugteile |
| Konstruktion von Tragstrukturen | Tragende Stahl- und Aluminiumkonstruktionen | Stahlkonstruktionen für Produktionsanlagen, Halterungen für den Serviceraum einer Windkraftanlage |
Ein Projekt umfasst oft mehrere dieser Bereiche. Eine Sondermaschine benötigt Maschinenkonstruktion, ihr Rahmen eine Festigkeitsberechnung und die tragende Stahlkonstruktion eine Konstruktion von Tragstrukturen. Die Phasen der Maschinenkonstruktion beschreiben wir ausführlicher im Artikel Was ist Maschinenkonstruktion und wie verläuft ein Projekt?
Was macht ein Konstrukteur?
Die Arbeit eines Konstrukteurs beginnt vor dem CAD-Modell. Er klärt zuerst, was das Gerät leisten muss, in welcher Umgebung und unter welchen Lasten – und erst danach, wie es aussieht. Typische Aufgaben sind
- die Auslegung und Präzisierung der Anforderungen gemeinsam mit dem Auftraggeber und den Anwendern
- die Erarbeitung und der Vergleich von Konzeptvarianten
- 3D-Modellierung und der Aufbau von Baugruppen
- Dimensionierung und bei Bedarf Festigkeitsberechnung
- Fertigungs- und Montagezeichnungen, Stücklisten und Toleranzen
- die Auswahl von Normteilen und Antrieben
- die Unterstützung von Fertigung, Montage und Inbetriebnahme
- die Erstellung der technischen Unterlagen, zum Beispiel für die CE-Kennzeichnung.
Ein guter Konstrukteur optimiert nicht eine Eigenschaft auf Kosten der anderen. Eine leichtere Struktur kann einen teureren Werkstoff oder eine schwierigere Schweißung erfordern, und eine engere Toleranz kann die Funktion verbessern, aber die Bearbeitung verteuern. Seine Aufgabe ist es, diese Zielkonflikte zu erkennen und sie im Hinblick auf den Einsatzzweck des Geräts sinnvoll zu lösen.
Wie verläuft ein Projekt in der mechanischen Konstruktion?
Ein Projekt verläuft typischerweise in Phasen: Anforderungsdefinition, Konzeptkonstruktion, Detailkonstruktion, Dimensionierung und Nachweis, Fertigungsunterlagen sowie Unterstützung von Fertigung und Inbetriebnahme. Die Reihenfolge der Phasen ist wichtiger als ihre Bezeichnung. Wenn Anforderungen und Konzept vor der Detailkonstruktion festgelegt sind, erfolgen Änderungen in einer Phase, in der sie noch schnell und kostengünstig sind.
Die Phasen aus Sicht der Maschinenkonstruktion haben wir im Artikel Was ist Maschinenkonstruktion und wie verläuft ein Projekt? beschrieben. Derselbe Ablauf gilt für die Gerätekonstruktion und die Konstruktion von Tragstrukturen.
Worauf wirken sich Konstruktionsentscheidungen aus?
Die Entscheidungen in der Konstruktion bestimmen zu einem großen Teil, was das Gerät kostet und wie es während seiner gesamten Lebensdauer funktioniert.
- Fertigungsgerechtheit: Werden Schweißfolge, Zugänglichkeit bearbeiteter Flächen oder Montagereihenfolge erst in der Zeichnungsphase berücksichtigt, muss die Konstruktion zu einem Zeitpunkt geändert werden, an dem Änderungen bereits langsam und teuer sind. Deshalb sollte die Fertigung schon in der Konzeptphase einbezogen werden.
- Kosten: Werkstoff, Teileanzahl, Toleranzen und der Einsatz von Normteilen bestimmen die Fertigungskosten. Eine zu enge Toleranz erhöht den Preis ohne funktionalen Nutzen, eine zu weite kann Montage- oder Funktionsprobleme verursachen.
- Sicherheit: Schutzeinrichtungen, Bewegungsbereiche und Bedienlogik beeinflussen den Grundaufbau einer Maschine. Wird die Risikobeurteilung während der Konstruktion und nicht erst an der fertigen Struktur durchgeführt, sind die Sicherheitslösungen Teil der Konstruktion und nicht nachträglich hinzugefügt.
- Wartbarkeit und Lebenszyklus: Erfordert der Austausch eines Verschleißteils die Demontage anderer Bauteile, verlängert sich jeder Wartungsstillstand über die gesamte Lebensdauer des Geräts.
Mit welchen Werkzeugen wird konstruiert?
Für die 3D-Konstruktion verwenden wir je nach Umgebung des Kunden SolidWorks, Creo, Siemens NX, CATIA und Inventor. Wenn wir mit derselben Software arbeiten wie die Produktentwicklung des Kunden, gehen Modelle und Zeichnungen ohne Konvertierungen in das System des Kunden über.
Die Dimensionierung wird durch Handrechnung und FEM-Berechnung unterstützt. Für einfache Strukturen reicht oft die Handrechnung, bei komplexer Geometrie und Verbindungen zeigt eine FEM-Analyse, wie sich die Spannungen verteilen. Die Rolle der Festigkeitsberechnung erläutern wir in den Artikeln Was ist eine Festigkeitsberechnung? und Was ist eine FEM-Berechnung und wann wird sie benötigt?
Ein Werkzeug macht eine Konstruktion allerdings nicht gut. Ein CAD-Modell kann geometrisch fehlerfrei und dennoch schwer zu fertigen sein, und ein FEM-Ergebnis ist nur so zuverlässig wie seine Lasten und Randbedingungen.
Welche typischen Fehler gibt es in der mechanischen Konstruktion?
Viele Konstruktionsfehler entstehen nicht in der Berechnung, sondern bei Entscheidungen, die zu früh oder zu spät getroffen werden. Typisch sind
- Die Detailkonstruktion beginnt, bevor die Anforderungen festgelegt sind.
- Die erste funktionierende Idee wird ausgearbeitet, ohne sie mit anderen Konzepten zu vergleichen.
- Fertigung und Montage werden erst in der Zeichnungsphase einbezogen.
- Toleranzen werden ohne funktionale Begründung aus früheren Zeichnungen übernommen.
- Für Wartung und Montage wird kein Platz vorgesehen, sodass das Gerät schwer zu montieren und zu warten ist.
Wann lohnt sich die Auslagerung der Konstruktion?
Eine Auslagerung lohnt sich, wenn
- die eigene Konstruktionskapazität für den Projektzeitplan nicht ausreicht
- das Projekt Kompetenzen erfordert, die im eigenen Team fehlen, etwa Festigkeitsberechnung oder CE-Dokumentation
- der Bedarf einmalig ist und die Einstellung eines eigenen Konstrukteurs nicht gerechtfertigt ist
- Konstruktion und Fertigung in der Verantwortung desselben Partners liegen sollen.
Ausgelagerte Konstruktion funktioniert am besten, wenn der Auftraggeber an der Anforderungsdefinition und der Konzeptauswahl beteiligt ist. Danach kann die Detailkonstruktion dem Konstrukteur überlassen werden. Da wir auch selbst konstruieren und fertigen, berücksichtigen wir die Fertigungsgerechtheit bereits in der Konstruktionsphase.
So erstellen wir zum Beispiel seit 2017 für Marioff aus Skizzen 3D-Modelle und Fertigungszeichnungen. In einem Vorplanungsprojekt für Valmet Automotive haben wir die Schweißprozesse für den Rahmen eines Golfcarts und anschließend die Schweißvorrichtungen in enger Zusammenarbeit mit der Produktentwicklung konstruiert – das Ergebnis war ein fertigungsgerechtes Produkt.
Haben Sie Fragen?
Gerne besprechen wir mit Ihnen, wie mechanische Konstruktion Ihr Projekt unterstützen kann. Weitere Informationen finden Sie auf unserer Seite zur mechanischen Konstruktion, oder wenden Sie sich direkt an unseren Serviceleiter:
Mika Julin, Serviceleiter, Projekt- und Expertendienstleistungen, Tel. +358 40 708 4567, mika.julin@hefmec.com
