Gianluca, Konstrukteur, ETA SA Manufacture Horlogère Suisse
Gianluca, Konstrukteur 2. Bildungsjahr, ETA SA Manufacture Horlogère Suisse, Grenchen

Meine Firma

Seit 1793 entwickelt und produziert die ETA SA Manufacture Horlogère Suisse verschiedenste Kaliber für die Uhrenindustrie. Damals war sie noch ein kleines, lokales Unternehmen, bestehend aus vier Werken in Fontainemelon (NE), heute ist die ETA SA das wichtigste Produktionsunternehmen für den international vertretenen, milliardenschweren Weltkonzern Swatch Group.

Omega-Uhrwerk, Kaliber 321
Bild 1: Omega-Uhrwerk, Kaliber 321

Das weltweit hohe Ansehen ihrer hochpräzisen Uhrwerke verdankt das Unternehmen ihrem gewonnenen Know-how aus über 400 Jahren Erfahrung.
ETA SA ist «The motorist of time», ihre gefertigten Uhrwerke stehen für Qualität, Präzision und Zuverlässigkeit.

Auftrag

Am 30.03.2020 erhielt ich von meinem Lehrmeister ein Lastenheft zugeschickt, welches sämtliche Forderungen und Einschränkungen für mein angehendes Projekt «Roboterspinne» beinhaltet.

Das Lastenheft wurde bereits im Vorfeld als Abschluss des letzten ÜK im Februar des selben Jahres von meinem ÜK-Lehrer erstellt. Mein Lehrmeister hat dieses 1:1 übernommen und nur die Forderungen bezüglich Grösse, Gewicht, Kosten und Zeitdauer der Projektarbeit zu meinen Gunsten abgeändert.

Der Auftrag beinhaltet das Konstruieren, das fachgerechte Dokumentieren und Herstellen einer laufenden Roboterspinne. Der Auftrag dient als «erster Einblick» und als Vorbereitung für zukünftige produktive Arbeiten. Das Projekt wird während meines Praktikums in der Lehrwerkstatt von mir selbst gefertigt.

Lastenheft (Aufgabenstellung)

Ziel:
Konstruktion einer Roboterspinne in Form einer Teamarbeit. Anhand der selbst erstellten Fertigungsunterlagen soll in der Lehrwerkstatt ein solches Produkt hergestellt werden, so dass der Teilnehmer ein Andenken mit nach Hause nehmen kann.
Zeitaufwand, Ablauf und Unterlagen, die benotet werden:
7 Tage (Start Montag, 30.03.2020 / Abgabe Donnerstag, 09.04.2020)
– Durchführung der Entwicklungsaufgabe durch alle Konstruktions-Phasen bis und mit der Erstellung aller Fertigungsunterlagen. Pro Gruppe eine komplette Dokumentationsmappe mit Unterlagen (vom Lastenheft bis zu den Zeichnungen, Datenblätter, Montage- und Betriebsanleitung) erstellen und abgeben.
– Benotet werden: Grad der Erfüllung der Aufgabenstellung, Fertigungsunterlagen auf Vollständigkeit und Qualität sowie Teamverhalten und Einsatz zur Lösung der Aufgabe.
Aufgabenstellung:
Es soll eine Roboterspinne entwickelt werden, welche sich autonom vorwärts bewegen kann.
Die Roboterspinne muss sich analog einer Spinne / Käfer bewegen, d.h. die Spinnenbeine bewegen sich koordiniert zu einander. Es sind insbesondere die Anzahl Beine und die Gangart (mechanisch gesteuerte Bewegungsabfolge der Beine) zu berücksichtigen. Die Spinnenbeine haben nur einen punktuellen Kontakt zum Boden. Eine abrollende Bewegung auf dem Boden (runde Räder) sind nicht zulässig.
Der Antrieb der Spinnenbeine kann z.B. mechanisch, elektrisch usw. erfolgen. Die Koordination der Beinbewegungen soll mechanisch gesteuert werden, nicht durch eine Steuerung von einzelnen Aktoren / Motoren. Es sind möglichst wenige Aktoren zu verbauen.
Die Spinne muss nicht unbedingt steuerbar sein. Es ist eine möglichst einfache Lösung anzustreben.
Falls ein elektromechanischer Aktor / Motor eingesetzt wird, beträgt die max. Versorgungspannung 6V.
Die Dimensionen dürfen folgende Werte nicht übersteigen:
– max. Breite: 150mm
– max. Länge: 200mm
– max. Höhe: 120mm
Das Gesamtgewicht sollte nach Möglichkeit 500g nicht übersteigen.
Falls möglich, ist auf eine kompakte Ausführung zu achten. Zusätzliche Funktionen wären äusserst wünschenswert (z.B. LED-Augen).
Bei der Auslegung der Roboterspinne muss auf eine günstige und einfache Fertigung im Hause (siehe Rahmenbedingungen) geachtet werden. Zudem sollen, wenn möglich, wenige Bestandteile eine schnelle und einfach Montage ermöglichen. Die eingesetzten Materialien müssen korrosionsbeständig sein. Ein ansprechendes Design wäre wünschenswert. Das Teil wird bei normalen Umweltbedingungen eingesetzt (Büroumgebung). Es muss sicherheitsgerecht konstruiert werden (eventuell eine Risikoanalyse durchführen).
Die Herstellkosten (Kauf-/Normteile sowie Rohmaterial) dürfen 150 CHF nicht übersteigen.
Funktionen:
Der Bediener stellt in irgendeiner Form Energie zum Betrieb der Roboterspinne bereit. Zum Start aktiviert er diese über einen Signalgeber (z.B. Schalter, Hebel, Sensor etc.). Die Roboterspinne bewegt sich gerade aus. Eventuell stoppt sie, wenn sich ein Hindernis auf ihrem Weg befindet oder umfährt dieses. Weitere Zusatzfunktionen können eingebaut werden.
Rahmenbedingungen:
Fertigung:
– Fräsen / Drehen
– Folgende weitere Verfahren sollen berücksichtigt werden: Bohren, Sägen (von Hand), Feilen (Radius, Fase, Fläche), Schlagzahlen oder Elektrogravieren (z.B. Name, Logo). Reiben und Gewindeschneiden
Grundsatz: Abklärungen, ob Werkzeuge für die Herstellung vorhanden sind oder beschafft werden können, sind ein wichtiger Bestandteil der Aufgabe.
Kaufteile:
Es ist darauf zu achten, dass nur aufwendig herzustellende Spezialteile zugekauft werden.
Rohmaterial:
Halbzeug, welches im Lagerbereich vorhanden ist oder kurzfristig lieferbar ist.
Normteile / Kaufteile: Aus Katalog, welche kurzfristig lieferbar sind.

Vorgehen nach PKEA

Ich wende für mein angehendes Projekt die 4-Schritte-Arbeitsmethodik an, welche ich während meines letzten ÜK erlernt habe. Sinn und Zweck der PKEA-Methode ist das strukturierte und übersichtliche Arbeiten mit Hilfe von vier Teilschritten. Diese sind planen, konzipieren, entwerfen und ausarbeiten. Diese Teilschritte sind sehr nützlich, sie teilen ein grosses Projekt in viele Bereiche auf.

Planen

Durch die erhaltenen Informationen (Lastenheft) erstelle ich ein Pflichtenheft, um einen besseren Überblick von Forderungen und Wünschen zu bekommen. Danach beginne ich mit der Konzeptsuche.

Bild 3: Anforderungsliste (Pflichtenheft)
Bild 3: Anforderungsliste (Pflichtenheft)

Anmerkungen zu Bild 3:

F steht für Forderung
W steht für Wunsch
Die Ziffer nach dem W bewertet die Stärke des Wunsches

Konzipieren

Um meine Ideen erstmals auf Blatt zu bringen, erstelle ich ein Mindmap (Bild 4). In einem nächsten Schritt verwende ich einen morphologischen Kasten (Bild 5), um die im Mindmap notierten Ideen, Gedanken und Teilfunktionen zu unterteilen und zu skizzieren, um als Ergebnis ein klares Konzept zu erhalten.

Bild 4: Mindmap
Bild 4: Mindmap
Bild 5: Morphologischer Kasten
Bild 5: Morphologischer Kasten

Der morphologische Kasten eignet sich besonders gut dafür, um durch das Verbinden einzelner Teilfunktionen verschiedene Lösungsvarianten zu finden.
Gelb: Lösungsvariante 1
Grün: Lösungsvariante 2

Entwerfen

Mit Hilfe des morphologischen Kastens zeichne ich zwei Lösungsvarianten, welche ich anhand einer Nutzwert-Analyse (Bild 6) bewerte, um so eine Ideallösung (Bild 7) zu erhalten.

Bild 6: Nutzwert-Analyse
Bild 6: Nutzwert-Analyse

Auswertung der Nutzwert-Analyse

Lösungsvariante 1:
Erfüllt sämtliche funktionellen Kriterien. Die Variante erfüllt alle fertigungsrelevanten Forderungen des zuvor erstellten Pflichtenheftes.

Die Problematik von Variante 1 liegt in den wirtschaftlichen Faktoren, welche in der Nutzwert-Analyse (Bild 6) ungenügend abschliessen. So wäre eine allfällige Herstellung sehr teuer, da hohe Kosten bei der Beschaffung des Rohmaterials sowie der Kaufteile entstehen.

Lösungsvariante 2:
Diese Variante bezieht sich auf das Prinzip einer aufziehbaren Feder, wie z.B. bei einem Spielzeugauto. Problematisch hierbei ist der Antrieb der Spinne. Durch eine Aufziehfeder können nur kurze Strecken zurückgelegt werden, bevor die Feder die Spannung verliert und erneut aufgezogen werden muss. Zudem besteht durch das fehlende Knowhow meinerseits keine Garantie, dass dieses Prinzip einer Aufzugfeder funktionieren wird. Jedoch würde auch Variante 2 bei richtiger Konstruktion/Herstellung alle Forderungen des Pflichtenheftes berücksichtigen können und folglich erfüllen.

Entscheiden

Ich entscheide mich für Variante 1, da diese meines Erachtens erfolgsversprechender ist. Sowohl Variante 1 wie auch Variante 2 wären umsetzbar, Hauptgrund für den Entscheid von Variante 1 ist die Teilfunktion Antrieb. Durch den eingebauten Getriebemotor bei Variante 1, welcher die Beine indirekt antreiben würde, sind auch grössere Belastungen auf die Maschine möglich.

Hingegen wird die Problematik des Antriebes von Variante 2 mit grösster Wahrscheinlichkeit beim Ausarbeiten einer Lösung zu viel Zeit verloren gehen, was wiederum nicht wirtschaftlich ist. Daher bin ich der Meinung, dass Variante 1 die ideale Lösung ist. Um hohe Kosten zu vermeiden, werde ich zusätzlich mit der Lehrwerkstatt abklären, welche Rohmaterialien bereits in ihrem Materiallager vorhanden sind. Somit werde ich meine gewünschten Werkstoffe dem verfügbaren Materialbestand anpassen, um Kosten für den Einkauf von Rohmaterial zu sparen.

Bild 7: Konzeptskizze (Ideallösung, Variante 1)
Bild 7: Konzeptskizze (Ideallösung, Variante 1)

Ausarbeiten

Das Projekt fertige und montiere ich in der Lehrwerkstatt. Um eine funktionsgerechte Roboterspinne herzustellen, muss ich im Vorfeld noch passendes Material (Aluminiumbleche und Silberstahl) und Kaufteile (Zahnräder, Getriebemotor, Kugellager) einkaufen. Damit der Einkauf fehlerfrei verläuft und keinen grossen Zeitaufwand benötigt, habe ich im Vorfeld eine Stückliste im Excel erstellt.

Bild 8: Stückliste
Bild 8: Stückliste

Fertigung

Schwerpunkt des letzten Teilschrittes «Ausarbeiten» ist die Herstellung der Roboterspinne, mit Hilfe meiner selbst erstellten technischen Zeichnungen.

Bild 9: Explosionsdarstellung
Bild 9: Explosionsdarstellung

Resultat

Das Resultat fiel negativ aus. Die Spinne kann stehen, ist jedoch nicht in der Lage, sich fortzubewegen.

Da dies mein erstes richtiges Projekt war, gab es dementsprechend sehr viele Fehler und Unklarheiten, da mir die Erfahrung und das Wissen bei einigen Teilschritten gefehlt hat.

Die grösste Herausforderung war ein funktionsgerechtes Produkt zu konstruieren, was leider nicht geklappt hat. Denn wie oben erklärt, konnte man die Spinne montieren/demontieren. Auch war es kein Problem, dass die Spinne selbstständig steht, nur leider konnte sie sich nicht fortbewegen. Dies hat zwei zentrale Gründe:
Das Gewicht: Die Spinne wurde grösstenteils aus Aluminium gefertigt, was als eher leichter Werkstoff bekannt ist, jedoch wurden die Einzelteile zu «massig» und «schwerfällig» konstruiert, was sich schnell auf das Gewicht der Spinne auswirkte.

Toleranzen: Meine Toleranzen wurden viel zu genau gewählt, aus Angst es würde später zu ungenau werden. In der Praxis spricht man dabei auch von Angsttoleranzen. Diese verursachten viel zu enge Passungen, welche sich dann später verklemmten, was eine Drehmomentübergabe von Antriebs- zu Abtriebswelle unmöglich machten.

Bild 10: Roboterspinne im CAD / Bild 11: formschlüssige Drehmomentübertragung
Bild 10: Roboterspinne im CAD / Bild 11: formschlüssige Drehmomentübertragung

Bild 10 zeigt Zahnräder zwischen den beigen Platten, diese übergeben das Drehmoment der Antriebswelle auf die Roboterbeine weiter.

Bild 12: Chassis / Bild 13: Schnittansicht
Bild 12: Chassis / Bild 13: Schnittansicht

Massnahmen:

Die oben erwähnten zentralen Gründe des Versagens des Bewegungsablaufes wurden einige Wochen nach der Fertigstellung meiner Spinne berücksichtigt und in meiner neuen Version «Roboterspinne 2.0» realisiert.

Version 2.0 zeichnet sich durch ihr geringes Gewicht, der vereinfachten Formgestaltung sowie der Verbesserung des Bewegungsablaufes aus. Zusätzlich wurden bis auf einige wenige Bohrungen die Fräsplatten grosszügig ausgespart, damit es zu einer minimalen Reibung zwischen Platten und Wellen kommt.

Ziel ist es, mit Hilfe der technischen Zeichnungen von Version 2.0 die bestehende Roboterspinne abzuändern, um sie schliesslich in Bewegung zu bringen.

Um die einzelnen Optimierungen besser veranschaulichen zu können, habe ich diese in Bild 14 eingezeichnet und beschrieben.

Bild 14: Optimierte Roboterspinne im CAD
Bild 14: Optimierte Roboterspinne im CAD
Bild 15: fertige Roboterspinne
Bild 15: fertige Roboterspinne

Herausforderungen

Die grösste Herausforderung dieser ersten Projektarbeit stellte für mich der Start der Arbeit dar. Da ich noch nie etwas dergleichen gemacht habe, hatte ich Angst vor möglichen Fehlern und schlechten Ergebnissen. Dies führte dazu, dass ich sehr zögernd in die Arbeit einstieg. Dies kostete mich vor allem Zeit, welche ich dann während dem Ausarbeiten der Lösungsvariante wieder aufholen musste.

Zudem war es schwierig, sich an jemandem zu wenden, denn am Starttag dieses Unterfangens war der erste schweizweite Lockdown wegen des Corona Virus. Die Umstellung ins Homeoffice war anfänglich umständlich und gewöhnungsbedürftig.

Doch dadurch lernte ich, mich den jeweiligen Situationen anzupassen, flexibel zu sein und lösungsorientierter zu arbeiten.

Das hat mir an dieser Arbeit besonders gut gefallen

Obwohl bei meiner ersten Arbeit die Roboterspinne nicht funktionierte, hat mir das Projekt sehr gefallen. In dieser langen Zeit, als von einer ersten Idee eine schlussendlich gefertigte Spinne wurde, lernte ich sehr vieles über das Planen von Projekten (z.B. realitätsnaher Zeitplan erstellen, effizientes Arbeiten am CAD, Grenzen der Fertigungsverfahren erkennen und die daraus resultierenden Gestaltungsvorschriften beachten etc.), lernte verschiedene Fertigungsverfahren richtig anzuwenden und die sogenannten «Angsttoleranzen» zu vermeiden, welche schlussendlich einer der Hauptgründe für die fehlende Bewegung der Spinne waren. Besonders motivierend war die ständige Unterstützung von Lehrmeistern und Berufsbildnern (sei es beim Thema Konstruieren oder Fertigen), denn diese konnten mir mit ihrer jahrelangen Erfahrung viele Tipps und Tricks auf den Weg geben, welche mir bestimmt bei späteren Arbeiten weiterhelfen werden.

Zudem fand ich die Aufgabenstellung besonders interessant, was zu zusätzlicher Motivation und darüber hinweg für grosse Begeisterung sorgte.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass trotz der vielen kleineren, wie auch grösseren Herausforderungen, den vielen Fehlern und Rückschlägen, das Projekt eine sehr wichtige Erfahrung für mich war. Denn es zeigte mir, dass sich die Theorie von der Praxis oftmals stark unterscheidet. So sind einem CAD keine Grenzen in der Gestaltung gesetzt, was bei den verschiedenen Fertigungsverfahren definitiv nicht der Fall ist. Ich lernte, dass Toleranzen nicht nur ein Segen darstellen, sondern regelrecht einen Fluch bei falscher Anwendung. Durch die vielen Stunden und der wochenlangen Beschäftigung mit dem Projekt füllte ich meinen Rucksack mit sehr viel Wissen und Fertigkeiten, welche mir in meiner weiteren Ausbildung zum Konstrukteur sowie sicherlich auch später sehr nützlich sein werden.