Systematic Design of Connections under Consideration of Assembly and Disassembly related Properties (Systematisches Konstruieren von Verbindungen unter Berücksichtigung der Montage- und Demontageeigenschaften)

Year: 2009
Author: Klett, Jan
Supervisor: Blessing, Luciënne
Institution: Von der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin
Page(s): 193

Abstract

The subject of this dissertation is the design process of connections, i.e. the selection of existing and the generation of novel connections. Even though connections are responsible for the reliability and the attractiveness as well as for the assembly and disassembly costs of a product, approaches for designing connections are not established yet. A study of the literature indicates that the available approaches only consider existing connections and do not support the generation of novel ones. Further more, literature indicates that neither these approaches nor the existing schemes for classifying connections sufficiently consider assembly and disassembly processes. To improve this situation the dissertation has two aims. The first aim is to represent connections such that designers can consider the assembly and disassembly related properties and the corresponding connection characteristics. This leads to the first research question of how the solution space of connections can be represented in order to fulfil this first aim. The second aim is to develop an approach which supports designers in designing connections without the necessity to consider dimensions yet. The related research question is whether the developed approach indeed supports designers. The first research question is answered by allocating assembly and disassembly related properties to connection characteristics and by representing the solution space of these characteristics. This involves the introduction of ‘connection principles’ that focus on the possible geometries of connections. The results address the first aim in the form of a new connection classification scheme. The results also form the basis for the development of SYCONDE, a systematic approach for designing connections, consisting of a workbook, a set of documentation forms and leaflets with supportive information. The second research question is addressed by an evaluation of SYCONDE in a design experiment involving ten mechanical engineering students and PhD-students. All were given the same design task to solve. Five participants used SYCONDE (the experimental group) and five did not use SYCONDE (the control group). The experiment showed that, compared to the participants in the control group, the participants in the experimental group performed more activities which were defined as important for designing connections, less frequently repeated some of these activities, considered more solution variants of some connection characteristics, and perceived to a higher level that the solution path is clearly structured and that the considered solution space is large. Zusammenfassung Das Thema dieser Dissertation ist der Konstruktionsprozess von Verbindungen, d.h. das. Auswählen existierender und das Generieren neuartiger Verbindungen. Obwohl Verbindungen für die Zuverlässigkeit und Attraktivität sowie für die Montage- und Demontagekosten eines Produkts verantwortlich sind, haben sich Vorgehensweisen zum Konstruieren von Verbindungen bisher nicht etabliert. Eine Literaturrecherche zeigt, dass die vorhandenen Vorgehensweisen nur existierende Verbindungen betrachten und das Generieren von neuartigen Verbindungen nicht unterstützen. Die Literaturrecherche zeigt ferner, dass weder diese Vorgehensweisen noch die vorhandenen Verbindungsklassifizierungen Montage- und Demontageprozesse ausreichend betrachten. Um diese Situation zu verbessern, verfolgt die Dissertation zwei Ziele. Das erste Ziel ist, Verbindungen so darzustellen, dass Konstrukteure die Montage- und Demontageeigenschaften und die entsprechenden Verbindungsmerkmale betrachten können. Dies führt zu der ersten Forschungsfrage, wie der Lösungsraum von Verbindungen so dargestellt werden kann, dass dieses erste Ziel erfüllt wird. Das zweite Ziel ist die Entwicklung einer Vorgehensweise die Konstrukteure beim Konstruieren von Verbindungen unterstützt ohne dass dabei schon die Dimensionierung betrachtet werden muss. Hieraus ergibt sich die Forschungsfrage, ob die entwickelte Vorgehensweise Konstrukteure wirklich unterstützt. Zur Beantwortung der ersten Forschungsfrage werden Montage- und Demontageeigenschaften Verbindungsmerkmalen zugeordnet und der Lösungsraum dieser Verbindungsmerkmale dargestellt. Hierfür werden Verbindungsprinzipe (connection principles) eingeführt, die die möglichen Verbindungsgeometrien betrachten. Mit den Ergebnissen wird das erste Ziel in Form einer neuen Verbindungsklassifizierung umgesetzt. Auf Basis der Ergebnisse wird auch SYCONDE, eine systematische Vorgehensweise zum Konstruieren von Verbindungen, bestehend aus einem Arbeitsheft (workbook), einem Satz Dokumentationsformulare (documentation forms) und einer Blattsammlung mit unterstützender Information (supportive information), entwickelt. Die zweite Forschungsfrage wird durch eine Evaluierung von SYCONDE anhand eines Konstruktionsexperiments mit zehn Maschinenbaustudenten und Doktoranden beantwortet. Alle erhielten zur Bearbeitung die gleiche Konstruktionsaufgabe. Fünf Teilnehmer verwendeten SYCONDE (Experimentalgruppe) und fünf verwendeten SYCONDE nicht (Kontrollgruppe). Das Experiment zeigte, dass die Teilnehmer der Experimentalgruppe im Vergleich zu den Teilnehmern der Kontrollgruppe mehr der für das Konstruieren von Verbindungen als wichtig definierten Aktivitäten durchführten, einige dieser Aktivitäten seltener wiederholten, mehr Lösungsvarianten für einige Verbindungsmerkmale betrachteten, und in einem höheren Maß den Lösungsweg als klar strukturiert und den betrachteten Lösungsraum als groß empfanden.

Keywords: Connection technique, Fasteners, Assembly / Disassembly, Design of connections, Connection classification scheme, Verbindungstechnik, Verbindungselemente, Montage/Demontage, Konstruktion von Verbindungen, Verbindungsklassifizierung