Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Fundamentals of Enineering design Lecture to Global Poduction Logistic students at JUB
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Institute for product development and optomechatronic systems engineering
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Welfengarten 1A, D-30167 Hannover http://www.ipeg.uni-hannover.de
[email protected] Phone: +49 511 762 3472
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Engineering Design
Course Name 050131 Credits 2,5 Grade 90 min written test on Friday 28 January 2011 9:30-11:30 • Questions and answers (10-20) Need: • Paper A3 • Set square / ruler • 3-4 calculations/drawings •
Lectures: Thursday 13th Jan. 2011 Friday 14th Jan. 2011 Friday 21st Jan. 2011 Friday 28th Jan. 2011 Lecture Hall Research II Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
pencil
9:45 - 12:30 and 14:15 - 18:30 8:15 - 12:30 and 14:15 - 18:30 8:15 - 12:30 9:30 – 11:30 (Test of 90 min)
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Course Description
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The course will provide a general understanding of innovation and development management and the processes and methods used to develop and design machines with its context to logistics engineering. Basic aspects of development methods will be explained: Development processes including specification, conceptual design and detailed design as well as different types of modular approaches and development levels will be trained. The use and need of design standards DIN/ISO, patents/IP and CAD systems will be shown. An introduction to the general parts and elements of machines such and their function will be given: • Shafts, springs, screws, bearings, gears For selected examples basic methods to dimension these elements and machines with respect to material and tension will be explained. Specific focus will be given to the interrelations between product modularization and logistics as well as the importance of logistic planning during the development process. The course contents lectures and exercises.
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Engineering Design 1. Fundamentals/Introduction Need to innovate Fundamentals of technical systems Products, costs and logistics 2. Product creation Product planning and development processes Clarification and specifications Concepts and modular design 3. Embodiment design Design standards DIN/ISO and drawings Design rules and principles Outlook to CAD use and CAE tools 4. Materials and mechanics Material parameters Fundamentals of mechanic stress calculation 5. Dimensioning of design elements Shafts, springs, screws, bearings Gears 6. Conclusion Strategy and IP Total Quality Management Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Day 1
Day 2
Day 3
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Targets of chapter 1
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• Basic understanding of the development of industrial production/products • Product Lifecycle • Innovations due to Software, Photonic and Nanotechnology • Mechatronic Systems / Technical Systems • Product Costs • Link between product design and logistics
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Material – Energy - Signal
Material
Energy
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Signal
Quelle: Roth Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Modell of Long Waves
Chemical Industries Mass Production
Electronic Communication
Telecommunication
Nano Bio Health
Railway steel
Steam engine
Today
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Product Lifecycle
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Software related Innovations Moore‘s law: • •
2x number of transistors on chips 18 month
Mechatronics, „intelligent machines“ Microsystem- and Nanotechnology Software agents
Networked systems and Mobility Optoelectronics and Photonics
Light engineering Virtual Reality/Augmented Reality
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Virtual Reality
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Technical systems
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Constraints during design
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Structure of Mechatronics Communication system
Information Processing units Digital/analog conversion
Energy feed
Information processing
Operator interface (human-machine interface)
Digital quantities
Human
Digital/analog conversion
Analog/digital conversion
Amplification
Analog quantities Energy feed
Actuator(s)
Energy feed
Sensor(s)
Basic system
Quelle: Gausemeier Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Flow of information
Flow of material
Flow of energy
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„New“ Market-Constellation
Past
Today
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Costs and time to market Only two reasons to buy a new product: 1. Value added 2. Cheaper drive developments Vertical integration is a risk
Quelle: Gausemeier Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Costs to Market
• •
Typical picture of project business For mass production design phase is much larger related to building and testing of products, but design costs and may also be much higher than product costs
Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Total costs of ownership Manufacturer costs
Product user costs
Production costs
acquisition costs
Costs for: Management, marketing, development, …
non-recurring costs for: Transport, installation, environmental protection, scrapping
Manufacturing costs (Cost of labor, production overhead costs)
Cost of operation (Energy, operating materials, auxiliaries, operation)
Cost of material
Maintenance costs (Maintenance, repairs, Inspection)
Requirements: Funktion, Safety,…
Total cost of product
Quelle: Ehrlenspiel Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Costs responsibility Cost responsibility and influence Cost generation
Development
Process engineering
Purchasing
Sales and marketing
Quelle: VDI 2235 Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Cost impact of design
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Impact of Complexity Plant B
Plant A
No. of variants
Revenue
Stock
No. of variants
Revenue
Stock
Variants cause a lot of stock but do not increase revenue significantly Options for action:
Constriction to core business Co-operation with „refiners“ for specific market niches Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Segments of Products
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Intensity of technology is responsible for complexity of production and process development in R&D. Intensity of labor provides information on amount of manual labor in production. Radius of market indicates reasonable transportation of product from manufacturing plant to customer Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Function of a Company
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Quelle: Gausemeier Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Engineering Design
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1. Fundamentals/Introduction Need to innovate Fundamentals of technical systems Products, costs and logistics 2. Product creation Product planning and development processes Clarification and specifications Concepts and modular design 3. Embodiment design Design standards DIN/ISO and drawings Design rules and principles Outlook to CAD use and CAE tools 4. Materials and mechanics Material parameters Fundamentals of mechanic stress calculation 5. Dimensioning of design elements Shafts, springs, screws, bearings Gears 6. Conclusion Strategy and IP Total Quality Management Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Targets of chapter 2 • • • •
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Basic understanding of development process Specification Technologies Development of concepts Use of building blocks and modular design
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Innovation drivers Market driven innovation
Technology driven innovation Research Advanced development Design
Planning
Production Life cycle of a product Quelle: Pahl/Beitz
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General approach to design
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Types of designs: • New design • Modification design • Adaptation design
Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Development for mass production
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Product Requirements List
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Specification Technologies • • • • •
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Product checklist Brainstorming Analysis of Product Lifecycle Analysis of Product Use and Environment Market survey / User Clinic
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Example of a specification list •
• • •
Quality of requirements • Fixed • Targeted • Wishes Date changes Responsabilities Concrete and measurable
Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Introduction to the examples
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Checklist for specification
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Performance Geometry Materials Energy Time
Cost Manufacture Standards Safety Transport Ergonomics
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Conceptual design
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Establish functional structure
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Example car lifter
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Search for working principles
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Search for working principles
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Different working principles that satisfy the function “store energy“ obtained by varying the type of energy Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Search for working principles
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Combination of principals
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Combination of principals
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Combination of principals
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Seite 41
Combination of principals
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Seite 42
Evaluation of concepts
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Seite 43
Parameter design
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Modularity / Building Blocks
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Modularity / Building Blocks
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Types of construction
Composite construction
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Product
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Engineering Design
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1. Fundamentals/Introduction Need to innovate Fundamentals of technical systems Products, costs and logistics 2. Product creation Product planning and development processes Clarification and specifications Concepts and modular design 3. Embodiment design Design standards DIN/ISO and drawings Design rules and principles Outlook to CAD use and CAE tools 4. Materials and mechanics Material parameters Fundamentals of mechanic stress calculation 5. Dimensioning of design elements Shafts, springs, screws, bearings Gears 6. Conclusion Strategy and IP Total Quality Management Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Targets of chapter 3 - Drawings
• • • • • • •
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Basic understanding of technical drawing standards Ability to read and understand technical drawings Ability to draw technical scratches Basic understanding of tolerances and surface parameters Understanding of basic design values and principals Use and need of technical documents Basic understanding of computer aided engineering
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CNC Machining Centre
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Quelle: Hüller Hille GmbH Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Component drawing
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Assembly drawing
Bill of material DIN 6771 Form A
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Design drawing
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Seite 53
Exploded assembly drawing
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Important Standards for Drawings Top view
Front view
Side view
2
(7) (8)
4
3
Front view
35 Top view
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15
1
Front view
50
(6)
(5)
Side view
Side view
Seite 55
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Projection
Bottom view
Side view from right
Front view
Side view from left
Rear view
Top view
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Seite 56
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Dimensioning
Arrow head Extension line Measure
Examples for Dimensioning of angles
Dimendion line Linear dimension
Dimension arrow head
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Seite 57
Dimensioning
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Seite 58
General tolerances
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Seite 59
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Types of sectional drawings
Full section
Half section
Partial sections
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Cutting lines
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Seite 61
Screw threads
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External screw thread: hexagon head screw ISO 4014
Internal screw thread: tapped blind hole
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Seite 62
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Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 63
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
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Seite 64
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Tolerances
Ao = Go – N Au = Gu – N T = Go - Gu = Ao - Au
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Seite 65
Tolerances
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Seite 66
Often used tolerance classes
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Seite 67
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Surfaces
Rz: Mean Roughness Depth
Ra: Roughness Average
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Seite 68
Surface symbols
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Surface specifications
unmachined
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Roughed down
smoothed
finished
Very fine machined
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Reuse norm parts and solutions
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Reuse norm parts and solutions • • •
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Database of norm part as well in DIN/ISO but also from suppliers Today geometries of norm parts can automatically be copied into CAD programs Different types of export systems are in use
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Design catalogue
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Quelle: Roth Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 73
Influences on Notch Effect
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 74
Influences on Notch Effect
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Seite 75
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Bearing arrangements
a. b. c.
O.K Specific Dangerous
Allow thermal expansion! Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 76
Avoiding double fits
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 77
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Self-reinforcing seals
Self-reinforcing seals: a self-sealing washer b tubeless tyre c radial shaft seal d sleeve seal e sliding ring seal
Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 78
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Reduce stiffness
Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
To avoid breaking Seite 79
Ensure guidance
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Quelle: Pahl/Beitz Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 80
Parameters of embodiment design
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Variant Characteristic
Shape Position Size Quantity
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Seite 81
Rules for moulding
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Seite 82
Design rules for manufacturing
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Seite 83
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Bill of material/drawings
Production planning and control Process planning Accounting
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Construction
Bill of material
After sales service
Production/ Assembly Purchasing/ Storage Distribution
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Design Defense
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Seite 85
Computer aided design
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Virtual prototype Digital Mock-up
Element design
Product structure
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Kinematics, dynamics, stability
Seite 86
Visualisation
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Seite 87
Virtual Prototyping
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Seite 88
Computer Aided Planning
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Analysis of assembly line ergonomics (Source: Siemens PLM Software)
3D-model of factory building (Source: Siemens PLM Software) Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Computer Aided Planning
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Model components
SPS code of production system Gantt-chart with necessary states of manufacturing steps
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Engineering Design
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1. Fundamentals/Introduction Need to innovate Fundamentals of technical systems Products, costs and logistics 2. Product creation Product planning and development processes Clarification and specifications Concepts and modular design 3. Embodiment design Design standards DIN/ISO and drawings Design rules and principles Outlook to CAD use and CAE tools 4. Materials and mechanics Material parameters Fundamentals of mechanic stress calculation 5. Dimensioning of design elements Shafts, springs, screws, bearings Gears 6. Conclusion Strategy and IP Total Quality Management Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Targets of chapter 4
• • • • •
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Basic understanding of Hooke’s law Understanding of fracture behavior of steel Dynamic influence on material strength Hardness Fundamentals of stress and strain
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Seite 92
Material
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 93
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Material
Material
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Design
Seite 94
Stress and Strain
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Seite 95
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Fracture Behaviour Elastic / plastic
brittle
Tensile strength Elastic strength Elastic limit Elastic Modulus Ultimate strain
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Rm Re Rp 0.2 E A
Seite 96
Dynamic Fatigue Test
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Seite 97
Stress
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 98
Stress
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 99
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Comparison stress
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 100
Dynamic Fatigue Strength
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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Seite 101
Engineering Design
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1. Fundamentals/Introduction Need to innovate Fundamentals of technical systems Products, costs and logistics 2. Product creation Product planning and development processes Clarification and specifications Concepts and modular design 3. Embodiment design Design standards DIN/ISO and drawings Design rules and principles Outlook to CAD use and CAE tools 4. Materials and mechanics Material parameters Fundamentals of mechanic stress calculation 5. Dimensioning of design elements Shafts, springs, screws, bearings Gears 6. Conclusion Strategy and IP Total Quality Management Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 102
Targets of chapter 5
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
• Basic understanding of design elements Springs Bolted connections Roller bearings
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 103
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Design Elements
Axes: stagnant
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Shaft: revolving
Seite 104
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Design Elements
(1) Bearing seat
(2) Shaft-hub joint
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
(3) Axial fixation
(4) Shaft seal Seite 105
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Springs Steel springs
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Rubber springs
Seite 106
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Springs
F, Mt
progressive
linear
degressive
Stored work W
f, φ
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 107
Examples of Springs
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 108
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Springs
Series Parallel
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 109
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Bolted Connections
Embodiment of bolted connections:
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
a)
Bolt and nut
b)
Stud bolt
c)
Headed screw
d)
Extension bolt
Seite 110
Bolted Connections
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 111
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Bolted Connections
F
1 1 f g FV cS cP
FS
FP FV FPB
FSB
FV FB cS
FPB
FS FV FSB FP
cS FSB FB cS cP
cP fs
fp fg
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
f
cP FPB FB cS cP
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+σzdw
Fatigue Strength
-σzdw
Construction steel: e.g. E295, σm = 200 N/mm2 ⇒ σAzul = ± 95 N/mm2 Bolt: e.g. property class 5.6 ( ≙ E295) ⇒ σAzul = ± 50 N/mm2 Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 113
Bolted Connections
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 114
Roller Bearings – DIN 625
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 115
Roller Bearings – DIN 625
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 116
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Bearings – Design
Shaft nut with lock washer Possibilities of axial fixation
Retaining rings for shafts and bore holes
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 117
Bearings – Design
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Fixed and floating bearing arrangement
Semi-locating bearing arrangement
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 118
Gears
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Normal efficiency ~ 97%
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 119
Gears – Example
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 120
Gears – Example
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 121
Engineering Design
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1. Fundamentals/Introduction Need to innovate Fundamentals of technical systems Products, costs and logistics 2. Product creation Product planning and development processes Clarification and specifications Concepts and modular design 3. Embodiment design Design standards DIN/ISO and drawings Design rules and principles Outlook to CAD use and CAE tools 4. Materials and mechanics Material parameters Fundamentals of mechanic stress calculation 5. Dimensioning of design elements Shafts, springs, screws, bearings Gears 6. Conclusion Strategy and IP Total Quality Management Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 122
Targets of chapter 6
• • • • •
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Basic understanding of quality FMEA Total quality and balanced Scorecards Strategy and innovation Patents Integrated innovation
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Seite 123
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Errors
Discovery of errors
Prevention of errors
Buy and produce
Error Costs
Develop and plan
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Seite 124
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Errors
Error rate
Errors fixed
Error cause
Phases in product lifecycle
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Seite 125
Failure Mode and Effect Analysis
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Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 126
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Total Quality Management Elements of TQM
Targets of TQM
Quality of products
Quality of processes
Optimal satisfaction of external customers Optimal satisfaction of internal customers
Quality of work
Minimal costs
Quality of contact with customers and suppliers
Increase of productivity Increase of market share
Implementing TQM in stages DIN ISO 9001 certification as standard
TQM expresses overall success
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Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Balanced Scorecard Strategic goals
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Indicator
Oper. goals
Activities
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Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Competitive Ability Competitive capability
Future orientation
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Seite 129
Strategy
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Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 130
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Impact on Strategy
Differentiation
Take advantage of synergistic effects
Efficiency
Take advantage of environmental chances
Timing
Concentration of power
Balance of ressources and goals
Unité de doctrine
Build upon strengths
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Seite 131
Innovation
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 132
Patents
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Seite 133
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
Integrated innovation
Scenarios
Strategies
Processes
Systems Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
Seite 134
Literature
Institut für Produktentwicklung & Gerätebau
G. Pahl, u.a.: Engineering design, 3rd edition Springer Verlag, Berlin, 2007, ISBN 978-1-84628-318-5 P. Kosky, u.a.: Exploring engineering, 2nd edition Academic press, San Diego, 2010, ISBN 978-0-12-374723-5 J. Gausemeier, u.a.: Zukunftsorientierte Unternehmensgestaltung Carl Hanser Verlag, München, 2009, ISBN 978-3-446-41055-8 W. Steinhilper, u.a.: Konstruktionselemente des Maschinenbaus 1 u.2, 6st edition Springer Verlag, Berlin, 2008, ISBN 978-3-540-76646-9 K. Roth: Konstruieren mit Konstruktionskatalogen 1 u.2, 3rd edition Springer Verlag, Berlin, 1994, ISBN 3-540-09815-1
Prof. Dr. Roland J. Lachmayer
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