Mit SolidWorks auf der »Überholspur«

In der Schulzeitung des Berufskolleg für Technik und Medien Mönchengladbach berichtet OStR Bernhard Fleischer über den erfolgreichen Einsatz von SolidWorks als Werkzeug für Konstruktion, Konstruktionsvalidierung, Simulation und Präsentation  im Rahmen der Projektarbeiten der Fachschule für Technik.

Viel zu lange „quälten" wir uns und unsere Studierenden der Fachschule Maschinenbautechnik beim Konstruieren mit Zeichenbrettern, um diese dann gegen ein damals schon veraltetes 2D-Zeichenprogramm zu tauschen. Mit Einzug der Entwicklungssoftware SolidWorks wurde allen Beteiligten schnell klar, dass CAD heute viel mehr als Technisches Zeichnen mit dem Computer ist. Und wie mächtig dieses Werkzeug ist, zeigte sich im Besonderen bei den jüngsten Projektarbeiten. Diese Investition ist sicherlich eine der wichtigsten der jüngeren Vergangenheit, um unsere Absolventen kompetent auf den beruflichen Werdegang des Konstrukteurs vorzubereiten.

Wir sind das, was man „draußen" als Konstrukteursschmiede bezeich­net. Zu uns kommt, wer das Hand­werk des Konstruierens erlernen möchte. Und man ist sehr zufrieden mit unserer Ausbildung; wir genie­ßen einen guten Ruf. Ein Großteil unserer Bewerber gibt in der Ein­gangsbefragung an, dass man über Bekannte und Freunde auf uns aufmerksam geworden sei. So kom­men nicht wenige aus Städten zu uns, die selber über eine Fachschule verfügen. Im Rahmen der Ehemaligenbefragung interessiert uns ins­besondere, welche nachhaltig posi­tiven Eindrücke unser Bildungs­gang hinterlassen hat und wo wir uns noch verbessern können. Die für uns wichtigste Frage ist dabei die nach dem weiteren beruflichen Werdegang. Mehr als 50% ihrer Rückmeldungen belegen, dass die ehemaligen Studierenden nunmehr als Konstrukteur oder in ähnlichen Bereichen eingesetzt sind.

Werden die Absolventen aufgefordert das Highlight der Ausbildung aus ihrer Perspektive zu benennen, steht hier klar die so genannte Projektarbeit im Vordergrund, die sich an die Diplomarbeit in ingenieur¬wissenschaftlichen Ausbildungen anlehnt. Für das Ausbildungsmodul Projektarbeit wird den Studierenden ein Zeitfenster von fünf Wochen (Vollzeit) bzw. elf Wochen (Teilzeit) bereitgestellt. In dieser Phase gilt die volle Aufmerksamkeit der Lösung eines komplexen technischen Problems. Der Unterricht nach Plan wird hierzu aufgehoben, gearbeitet wird in Teams von drei bis vier Studierenden. Im vergangenen Jahr wurden ausschließlich konstruktive Projektarbeiten durchgeführt.

Für diesen Schwerpunkt mag die Begei­sterung der Studierenden im Um­gang mit unserem neuen Konstruk­tionsprogramm SolidWorks einen gehörigen Beitrag geleistet haben. Dass SolidWorks dabei viel mehr ist als ein Zeichenprogramm, davon sollen die beiden im Folgenden dargestellten Projektarbeiten exem­plarisch berichten. Den Anfang macht die Entwicklung und Konstruktion einer Vorrichtung für die Firma Monforts Werkzeug­maschinen GmbH in Mönchengladbach, einem Spezialhersteller von CMC-Drehmaschinen. Bei der End­montage muss eine Baugruppe, die so genannte Motorfrässpindel (vgl. Bild 1), wegen der geforderten hohen Maßgenauigkeiten sehr zeitaufwändig eingepasst werden. Dazu muss die Motorfrässpindel in die komplette Maschine eingebaut werden, um entsprechende Einstell­arbeiten vornehmen zu können. Danach wird sie wieder ausgebaut, angepasst und neu vermessen, bis die geforderte Fertigungsgenauig­keit der Maschine erreicht ist.

Gefordert wurde eine Prüfvorrich­tung, die eine Einbausituation in der Maschine simuliert, mit der die Anpassungsarbeiten außerhalb der Maschine ausgeführt werden können. Einerseits verkürzt sich dadurch die Gesamtzeit in der End­montage, weil das stetige Ein- und Ausbauen der Baugruppe entfällt. Andererseits verkürzt sich die Durchlaufzeit zusätzlich, weil die Anpassarbeiten auf der Vorrichtung unabhängig von der übrigen End­montage parallel laufen können. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die hohe Anforderung an die so genannte Steifigkeit der Vorrichtung dar. Steifigkeit bedeu­tet hier das Vermögen, sich unter einer äußeren Kraft (z.B. als Ge­wichtskraft) möglichst wenig zu verformen (Durchbiegen).

Dies ist für die Konstruktion dieser Vorrich­tung von elementarer Bedeutung. Um auf der Messmaschine für die nachfolgenden Einstellarbeiten realistische Ergebnisse zu liefern, musste die Vorrichtung dement­sprechend ein sehr hohes Maß an Steifigkeit aufbringen. Die spätere Genauigkeit der CMC-Maschine liegt bei angestrebten 5 Mikrome­tern (0,005mm). Die Vorrichtung muss in ihrer eigenen Verformung noch unter diesem Maß liegen. Gefordert wurden vom Auftragge­ber 2 Mikrometer. Zum Vergleich: Ein Haar hat einen Querschnitt von 0,1 mm. Eine eigentlich sehr aufwändige Fragestellung ist die Er­mittlung des Gewichtsschwerpunk­tes der Motorfrässpindeln. Dieser muss bekannt sein, um in einem weiteren Schritt die Verformung (Durchbiegung) der Prüfvorrichtung zu ermitteln.

Und mit SolidWorks? Knopfdruck genügt!

Auf Wunsch kann unter Benennung der verwen­deten Materialien auch das exakte Gewicht ermittelt werden. Um eine hohe Steifigkeit der Prüfvorrich­tung und damit eine geringe Ver­formung und hohe Maßgenauigkeit zu gewährleisten, musste die Vor­richtung bestimmten physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Teildisziplin Technischen Mechanik genügen. Das bedeutet konkret, dass be­stimmte Formen von Profilen zu einer geringeren Durchbiegung führen als andere. Hier zeigt sich, dass ein Computer und eine ent­sprechende Software Grundkennt­nisse in den jeweiligen Disziplinen sinnvoll unterstützen und ergänzen, aber nie ersetzen kann. Wer nicht weiß, wie er durch bestimmte Bau­teilformen die Eigenschaften einer Konstruktion optimieren kann, dem wird der Rechner hier auch kein besseres Ergebnis liefern können. Wenn der Studierende und spätere Konstrukteur um diese Eigenschaf­ten weiß, ist ein Programm wie SolidWorks aber ein mächtiges Werkzeug. Und so hat auch die Gruppe die technische Herausfor­derung, d.h. die Realisierung einer minimalen Durchbiegung unter Anwendung erlernter Grundkennt­nisse zur Technischen Mechanik mit Hilfe von SolidWorks mit Bravour gemeistert. Das Team hat mit verschiedenen Profilen zur Verstei­fung experimentiert und von SolidWorks durchrechnen lassen (Bild 2 u. 3: Durchbiegung).

Hier zeigt SolidWorks seine wahre Stärke.

Verschiedene Varianten zur Verbes­serung der Versteifung wurden mit SolidWorks in Sekundenschnelle durchgerechnet. „Von Hand" hätte diese Optimierungsstrategie mehre­re Tage in Anspruch genommen. Nach Erstellung des endgültigen SD-Modells (Bild 4) und der Span­nungsberechnung war die Ablei­tung der Technischen Zeichnungennur noch „ein Klacks". Was passiert bei Änderungen am Modell mit den Zeichnungen im Laufe des Kon­struktionsprozesses? Diese werden in Sekundenbruchteilen an die geänderten Maße angepasst. Das Zauberwort heißt hier Referenzierung. SolidWorks ist insbesondere vor diesem Hintergrund weit mehr als nur Zeichnen! Die hierausge­drückte Begeisterung über das Pro­jektergebnis teilte der Auftraggeber.

Und wenn dieser zufrieden ist, sind wir es als Schule natürlich erst recht. Die Realisierung des Zeich­nungssatzes hat die Firma für das kommende Halbjahr anvisiert.