Teilprojekt A1: Entwicklungsmethodik

Übersicht

Motivation

Das Teilprojekt A1 stand zur letzten Antragstellung vor der Herausforderung, Methoden bereitzustellen, die es bei der Entwicklung erlauben, funktionssichere urgeformte mikromechanische Systeme effizient umzusetzen. Einen weiteren Schwerpunkt stellte die Entwicklung von Prüfverfahren zur Eigenschaftsabsicherung dar. In der aktuell laufenden vierten Förderperiode werden Methoden zur Eigenschaftsabsicherung bislang unerforschter Funktionselemente in ihrer Anwendung für Mikrosysteme untersucht. Parallel hierzu erfordert die Komplexität des im SFB kumulierten konstruktionsrelevanten Wissens die Erarbeitung einer geeigneten effizienten Wissensrepräsentation.

Aktuelle Arbeiten und Ergebnisse

Ziel des Teilprojektes A1 ist die Erforschung des Gestaltungsprozesses urgeformter Mikrobauteile und -systeme und damit die Bereitstellung von Referenzprozessen sowie spezifischer Methoden und Werkzeuge für den Entwickler. In den vergangenen Förderphasen wurde eine systematische Unterstützung auf gestalterischer Ebene mit der Darstellung eines mikrospezifischen Produktentwicklungsprozesses sowie unterstützender Methoden (Konstruktionsregeln, Entwurfsmuster, Robust Design Ansatz, u.a.) realisiert. Diese kann jedoch nur in Hinblick auf die Entwicklung neuer Produkte zielführend eingesetzt werden, wenn eine breite Informationsbasis aus der Perspektive des Anwenders vorhanden ist.
Zur Sicherstellung einer nachhaltigen Anwendbarkeit ist die Beantwortung folgender Kernfragen von wesentlicher Bedeutung:
  • Wie lässt sich das für die mikrospezifische Gestaltung notwendige Wissen aus vor- und nachgelagerten Phasen und letztlich der eigenen Entwicklungs- und Konstruktionsarbeit identifizieren und nachhaltig für den Entwickler bereitstellen?
  • Wie leistungsfähig sind die Elementarfunktionen im Betrieb von mikromechanischen Systemen, die mittels urformender Verfahren hergestellt werden?
Aus diesen Kernfragen lassen sich die im Folgenden dargestellten Ziele ableiten.

Gesamtdemonstrator:

Das Teilprojekt A1 entwickelt einen Gesamtdemonstrator (Abbildung 1), an dem sich für die charakterisierenden und direkt an der Prozesskette beteiligten Teilprojekte relevante Forschungsaspekte abbilden lassen. Während der Gestaltung des Gesamtdemonstrators und der abschließenden Umsetzung durch das Teilprojekt Z2 validiert das Teilprojekt die in den vergangen Förderperioden erarbeiteten mikrospezifischen Entwicklungsmethoden sowie die in der beantragten Förderperiode zu erforschenden Methoden zur Entwicklungs- und Konstruktionsunterstützung.

Abbildung 1: Mikro-Gasturbine - Demonstrator der vierten Förderperiode

Wissensbasierte Gestaltung und Entwurfsmuster:

Der Lösungsansatz zur Erforschung von unterstützenden Methoden auf Basis einer wissensbasierten Gestaltung sieht eine standardisierte Repräsentation von Wissen in Form von Entwurfsmustern vor.
Hierzu werden im SFB bereits entwickelte mikromechanische Systeme, wie beispielsweise das Mikroplanetengetriebe, die Mikroturbine sowie der Mikrodispenser auf Elemente hin analysiert, die sich als erfolgreiche Lösungsalternativen erwiesen haben. Insbesondere zur Analyse der mikromechanischen Systeme und Komponenten sowie zur Ergebnisfixierung wird ein geeignetes über Wirkflächenpaare und Leitstützstrukturen definiertes Elementmodell (Contact & Channel Model C&CM) verwendet. Auf Basis der so erfolgten Modellierung schließt sich eine Systematisierung der gefundenen Muster zur Darstellung eines definierten Wissenszugriffs an. Die identifizierten Lösungsalternativen werden auf gemeinsame Elemente hin untersucht. Auf Basis eines zu entwickelnden Klassifikationsschemas werden die Muster systematisiert. Zur Repräsentationsunterstützung sowie zur Verbesserung der Zugriffsmöglichkeiten werden die Gesamtheit der Muster sowie systemisch benachbarte Muster in einer Ontologie abgebildet. Durch die Systematisierung und die ontologische Abbildung werden die Muster mit einem entsprechenden Werkzeug nutzerfreundlich bereitgestellt. Zur Anwendung gelangende denkbare Werkzeuge sind ein einfaches Wiki-System (bspw. das Dokuwiki-System, auf dem das SFB-interne Informationssystem MyBoK betrieben wird) oder zum Beispiel eine Wiki mit semantischer Unterstützung. Um eine für die Entwicklung mikromechanischer Systeme verallgemeinerte Methodik zur Identifikation und Ableitung von Mustern zu erhalten, wird die Vorgehensweise der einzelnen Musterableitungen reflektiert und analysiert (Abbildung 2).

Abbldung 2: Exemplarisches Entwurfsmuster mit typischem Aufbau

Abbildung 3: Lebenszyklus eines Entwurfsmusters

Eigenschaftsabsicherung von Funktionselementen urgeformter Mikrosysteme:

Zur Analyse bestehender Demonstratoren hinsichtlich funktionsrelevanter geometrischer Eigen-schaften ist es notwendig, einen Zusammenhang zwischen Funktion und Gestalt herzustellen. Dazu eignet sich die Modellierung über den Ansatz der Wirkflächenpaare und Leitstützstrukturen. Die funktionalen Eigenschaften mikromechanischer Welle-Nabe-Verbindungen und Gleitlager werden mit dem in den vergangenen Förderperioden entwickelten Mikrozahnradprüfstand (Abbildung 3, Abbildung 4und Abbildung 5) abgesichert

Abbildung 4: ursprünglicher Aufbau des Mikrozahnradprüfstands zur Eigenschaftsabsicherung von Funktionselementen urgeformter Mikrosysteme

Abbildung 5: Ausbau des Mikrozahnradprüfstands zu einem Mikrogetriebeprüfstand