Produktentwicklung

Der Anfang des methodischen Konstruierens ist schwer festzulegen. War vielleicht Leonardo da Vinci der erste Konstrukteur?

Mit dem Beginn der Technisierung im 19. Jahrhundert legten Ingenieure die Grundlage für die Konstruktionstechnik.

Mitte des 20. Jahrhundert entstand die heutige Vorstellung einer Konstruktionsmethodik. Eine Vielzahl an Wissenschaftlern forscht seit dem auf diesem Gebiet.

Es wurden eine Reihe von Methoden untersucht die als Kreativitätstechniken und Problemlösungsstrategien die Suche nach neuen Ideen unterstützen, in Form von Regeln, Richtlinien und Katalogen die Gestaltung erleichtern sowie als Ablaufmodelle eine Handlungsweise zur Entwicklung technischer Produkte unter Berücksichtigung des gesamten Produktlebenszyklus darstellen. Daneben existieren eine Vielzahl von Anpassungen, firmenspezifischen Handlungsmodellen und Richtlinien zu verschiedenen Aspekten der Konstruktion.

Die Methoden müssen die steigende Komplexität der Produktentwicklung (Abläufe, Lebenszyklus, Produkt selbst, Anforderungen) berücksichtigen. Auf Basis der VDI-Richtlinie 2221 und der Konstruktionsmethode nach Pahl/ Beitz wird seit Jahren am Lehrstuhl das Ziel verfolgt, die existierenden Methoden zu verbessern (z. B. Methoden zur RP-Anwendung und Digitalisierung) und auf weiter Anwendungsfelder (zum Beispiel der Biomedizin, für die Konstruktion explosionsgeschützter Gehäuse, der Nachbildung von Knochen durch RP und der Anwendung der Idee der Open Source) zu erweitern.

Explosionsschutz

Bei der Gewinnung und Verarbeitung von fossilen Brennstoffen in der petrochemischen Industrie müssen besondere Sicherheitsmaßnahmen beachtet werden. Benzine oder Brennstoffe sind allgemein oft leicht entzündlich und dürfen aus diesem Grund mit Zündquellen nicht in Kontakt geraten. Ein Funken kann die explosiven Gase des Benzins entzünden. Weitere Gebiete in denen der Explosionsschutz eine wichtige Rolle spielt sind zum Beispiel bei Gefahrguteinsätzen der Feuerwehr. Allgemein kann gesagt werden, überall dort wo Gase und Stäube ein explosives Gas(Staub)-Luft-Gemische entstehen lassen können, muss der Explosionsschutz miteinbezogen werden.

Erarbeitung konstruktionsmethodischer Grundlagen für die Entwicklung von Produkten in der Biomedizin

Das Ziel des Forschungsthemas ist eine systematische konstruktionsmethodische Grundlage für die Entwicklung von biomedizinischen Produkten zu erarbeiten.

Biomedizinische Produkte besitzen ein hochspezifisches Anforderungsprofil. Während der Entwicklung sind es eine Vielzahl von Randbedingungen (z.B. bestimmte Werkstoffe, Sterilitätskriterien, etc.) zu beachten. Bisher sind keine Methoden verfügbar, die das systematische Konstruieren solcher Produkte ermöglichen. Dadurch entsteht das Risiko eine unzureichende (under-engineering) oder zu umfangreiche Lösung (over-engineering) zu erhalten. Das Ergebnis der Untersuchung sollen eine Anforderungslisten und eine Konstruktionskataloge sein, die alle Anforderungen beinhaltet. Diese sollen als Anregungen oder Entscheidungskriterien dem Konstrukteur dienen und zur Erhöhung der Effektivität des Konstruktionsprozess eines biomedizinischen Produktes führen.

Die Erarbeitung wird auf eine repräsentative Produktgruppe von biomedizinischen Produkten bezogen. Die invasiven Medizinprodukte bilden ein charakteristisches Beispiel. Hier besteht eine sehr hohe Gefahr wegen ihres unmittelbaren Kontaktes mit einem lebenden Organismus. Diese Produktgruppe schließt die implantierbare Produkte, chirurgische Instrumente und Geräte sowie Extrakorporale Systeme ein. Diese haben ein breites Anwendungsspektrum in Orthopädie, kardiovaskuläre Medizin, Ophthalmologie, Dentalmedizin, Chirurgie, gezielte Pharmakotherapie (Drug-Delivery Systems), etc.

Bei der Entwicklung eines invasiven Medizinproduktes muss man besonders auf die folgenden Anforderungen achten:

• Biokompatibilität (Änderung der mechanischen, physikalischen, chemischen Eigenschaften des Produktes und folgende physiologische Degenerationen des Gewebes (lokale oder systemische schädliche Erscheinungen))
  
• Mechanische Eigenschaften (Elastizität, Streckgrenze, Duktilität, Zähigkeit, Kriechen, Festigkeitsgrenze, Dauerfestigkeit, Härte, etc.)
  
• Eignung des ausgewählten Werkstoffs für den gegebenen Zweck, Qualität von Rohmaterialien, Struktur des Werkstoffes, etc.
  
• Gestaltungsform und Fertigungsverfahren
  
• Beschaffung ausgezeichneter Oberflächenbeschaffenheit
  
• Erreichen der Fähigkeit des Werkstoffes gefahrlose und effiziente Sterilisation
  
• Senkung der Produktkosten
  
• Übereinstimmung und Konformität allen Anforderungen
  
• etc.
  

Knochenmodell-Erkennung und -Rekonstruktion mit neuronalen Netzwerken

Schadhafte Körperteile werden häufig durch künstliche Implantate ersetzt. Solche Implantate können von Herzklappen über Knochensplitter bis Hauttransplantationen reichen. Der Austausch von schadhaften und funktionsgestörten Körperteilen ist für ein gesundes Leben wesentlich. Eine exakte Nachbildung von anatomischen Teilen verlangt präzise 3D-Daten. Diese Daten sind aber schwer zu erhalten.

3D-Körperteil-Daten werden überwiegend unter Anwendung von verschiedenen Scann-Techniken erzeugt. Diese Verfahren sind erfolgreich auf äußere Körperteile, wie z.B. Hände, Beine, Gesicht, usw. anzuwenden. Doch für innere Körperteile, wie z.B. Knochen und Gewebe, sind endoskopische Scann-Techniken wie Computertomographie, der Kernspintomographie oder der Ultraschall-Technik zu nutzen. Diese Verfahren setzen den Körper großer Mengen an Strahlung aus. Anstrengungen wurden bereits unternommen, um mit weniger Scann-Vorgängen ein Modell eines Knochens -beispielsweise eines Femur, der Oberschenkelknochen des Menschen; .- zu erzeugen.

Das Forschungsziel am Lehrstuhl ist ein System der Künstlichen Intelligenz, z.B. Neurale Netzwerke, für eine Knochen-Datenbank, z.B. für Femur, zu entwickeln. Sollte später ein unbekannter Fall eines solchen Knochens mit begrenzten Informationen, z.B. infolge von nur zwei orthogonalen Scannungen, vorliegen, ist das System dann in der Lage, die Form des Knochens vorherzusagen.

Der Open-Source-Gedanke - Die Idee der Open Source in der Produktentwicklung

Der Begriff "Open Source" ist aus der Informatik bekannt. Er steht für einen offen gelegten Programmcode von Software, der Weiterentwicklung dieser durch interessierte Anwender und dem offener Austausch von Ideen und Daten. Erfolgreiche Anwendungen sind das Betriebssystem "Linux", der www-Server "Apache" oder diverse Programmiersprachen (Perl, Python). Weltweit nutzen Menschen "Open-Source-Software", die in der Regel verläßlich, stabil, kostengünstig (keine Lizensgebüren, kostenloser Download) und sicher läuft. Diese Anwendungen werden nicht nur von Informatikstudenten genutzt, die ein Spielzeug suchen, sondern mehr und mehr auch durch große, professionelle Unternehmen wie Daimler Chrysler, IKEA, Sixt, NASA, SONY, Boeing, bis hin zum Zentralverband des Deutschen Handwerks, der Königin von England und dem Weltkirchenrat. Auch die Computerindustrie hat auf diesen Trend reagiert und bietet zum Teil Linux als vorinstalliertes Betriebssystem an. Das Ergebnis der Forschung ist die Internetseite PEMOS. Hier wird untersucht, wie die Vorgehensweise für Softwareentwicklungen in anderen Bereichen, z.B. im Maschinenbau genutzt werden kann.