Zuerst ist da deine Idee. Eine Idee, mit der du ein eigenes Problem im Alltag lösen möchtest. Oder eine Idee, die die Welt verändern wird! Doch was nützt die beste Idee, wenn die Umsetzung scheitert, zu lange dauert oder eben deine Idee nicht funktioniert?

In dieser Beitragsreihe geht es weniger um die Lösung eines bestimmten technischen Problems. Es geht vielmehr darum, dir nützliche Tipps und Ideen zu geben, wie du den Prozess von der ersten Skizze bis zum fertigen Prototypen beschleunigen und strukturieren kannst.

Planung ist die Verwandlung von Zufall nach Irrtum

Ich bin auch nicht viel besser: Die Idee geboren. Die Serviette bekritzelt und auf direktem Wege in die Werkstatt! Dort wird schnell und hektisch irgendein Zeugs zusammengetragen, beim lokalen Elektronik-Laden Komponenten bestellt, und dann irgendwie mit Heißkleber und Schrauben zusammen getackert. Das Ergebnis ist meistens erschütternd: Es funktioniert nicht und dauerte trotzdem eine Woche. Kennst Du das auch?

Erkenntnis #1: Ein Fehler in der Entwicklung kostet 1 EUR. Im Prototypen 100 und in der Produktion 10.000!

Ein alter Leitsatz, aber leider immer noch richtig: Verschwendet am Anfang Zeit. Mit Recherchen, Skizzen und – wenn nötig – mit ersten einfachen Berechnungen. Das erfordert für Maker vor allem eins: Disziplin!

Das Problem beim Rapid Prototyping

Bevor wir loslegen, soll zuerst das Problem dargestellt werden, das wir lösen wollen. Für das Open-Source Projekt Airfling soll ein neuer Windkraftanlagen-Typ entwickelt werden. Der Airfling S1 soll deutlich einfacher und vor allem billiger sein. Bei der Windkraftanlage handelt es sich um eine vertikale Anlage. Dabei drehen sich die Windrotoren um eine vertikale Achse, anstelle – wie Propeller – horizontal montiert zu werden.

Wir nehmen uns aus der Fülle der technischen Herausforderungen ein einzelnes Teil-Problem für unseren Artikel heraus: Wie sollen die Wind-Rotoren an der zentralen Welle befestigt werden? Die Welle ist dabei ein einfaches 20mm Alu-Rohr und der Rotor soll mittels einer Scheibe mit diesem Rohr verbunden werden. Im späteren Betrieb kann sich diese Welle mit fast 1000 U/min drehen.

Skizze der ersten Idee
Die Skizze zeigt das erste Problemfeld

Wasserfall oder agil?

Wir Maker sind natürlich schon immer agil gewesen. Wir denken nicht lange nach. Wir machen einfach! Hangeln uns von Stolperstein zu Stolperstein und während andere noch nachdenken, haben wir den ersten Prototypen schon fertig. Gebaut, um mit dem Feedback von uns selbst oder unseren Kunden gleich den nächsten zu bauen.

Das unterscheidet uns von der alten Denke: Dem Wasserfall-Modell, bei dem sehr strukturiert von der Problemstellung zur Lösung gearbeitet wird.

Wir dürfen agil nicht mit planlos gleichsetzen. Die Vorgehensweise in Iterationen und dem ständigen Einholen von Feedback – und sei es von Euch selbst – ist gut und richtig. Nur sollte innerhalb einer Iteration eben planvoll vorgegangen werden.

Doch es gibt im Vergleich zum Software-Bereich einen großen Unterschied: Während man bei Software-Projekten schnell etwas ändern kann, ist dies bei Hardware-Projekten eher selten der Fall. Eine kleine Änderung im Design führt z.B. dazu, dass ein Werkzeug (z.B. eine Silikon-Gußform oder ein Blech) unbrauchbar wird. STRG+Z gibt es im Hardware-Bereich nicht.

Zerlegt eure Idee in Komponenten

Gliedere deine Idee in einzelne Komponenten, die du dann iterativ entwickelst. Dabei ist die Problemstellung unerheblich, denn nahezu jede Aufgabe lässt sich zerlegen. Ein Beispiel: Du möchtest für euer Zuhause ein tolles Regelgerät für euren Heizkörper entwickeln. Vor deinem inneren Auge siehst du es schon: Ein schöner kleiner Kasten, der via Bluetooth die Heizung steuert.

Welche Komponenten hat ein solches System?

  • Benutzerschnittstelle (z.B. Display, Knöpfe, Smartphone)
  • Sensorik (Temperaturmessung)
  • Mechanische Akutatoren (Ansteuerung des Heizventils)
  • Steuerung
  • Stromversorgung (Batterie, Akku)
  • Gehäuse

Definiert einfach die Komponenten und überlegt euch, welche Schnittstellen zwischen ihnen existieren. Hierfür reicht ein Stück Schmierpapier.

Der Vorteil liegt darin, dass wir später die einzelnen Module iterativ entwickeln können und mit jeder Iteration unser Gesamtkunstwerk wächst – ohne es komplett neu zu bauen.

Die Windkraftanlage haben wir im Vorfeld ebenfalls in einzelne Module aufgeteilt:

  • Rotor-System (Rotorblätter, Rotorhalter, Welle)
  • Generator-Gehäuse mit Unterkomponenten: Lagerung, Generator, Energie-Speicherung, Energie-Ausgabe und Power-Anzeige
  • Befestigung (z.B. ein Mast oder Tisch-Ständer)

Anforderungen erkennen und abgrenzen

Zurück zu unserem Problem: Wie können wir die Rotoren an der Welle befestigen? Wir nehmen zuerst die bewähre Methode: aus dem Bauch heraus. Und da lautet die Antwort: Kleben!

Gesagt, getan. Schnell eine Scheibe mit Loch aus PLA gedruckt, Stange einschieben. Kleber drauf. Fertig. Nur 1 Stunde später wissen wir, dass es so nicht geht, denn unsere Scheibe ist viel zu dünn, um eine ordentliche Klebeverbindung zu ermöglichen. Außerdem lässt sich PLA sowieso schlecht kleben. Und zum Schluss stellen wir fest, dass bei hoher Drehzahl der Kleber wie eine Unwucht wirkt und die ganze Welle heftig vibriert.

Erkenntnis #2: Die Physik interessiert sich nicht dafür, ob das jetzt ein Prototyp oder ein Serienprodukt ist.

Es gibt viele Wege nach Rom…

… wenn mir denn nur jemand eine Leiter geben würde, damit ich nachsehen kann, wo Rom in etwa liegt!

Die obige Herangehensweise zeigt, dass selbst mit ausreichender Erfahrung Lösungen schnell scheitern können. Wir brauchen also eine Methodik, um unser Problem komplett zu verstehen, damit wir auch die richtige Lösung entwicklen.

Deswegen ist es immer sinnvoll, das Problem in einzelnen Anforderungen zu beschreiben und zu bewerten. Vollkommen unabhängig davon, ob und wie dazu eine technische Lösung bereitsteht. Dabei erkennen wir auch, welche Anforderungen irrelevant sind. Das ist für Maker stets ein schwieriger Schritt, da wir sofort bewerten, wie wir eine Anforderung technisch lösen können. Versucht, euch in die Rolle des Kunden eures Produktes zu versetzen. Das hilft!

Für unsere Rotor-Befestigung ermitteln wir zuerst alle uns bekannten Anfordungen. Schreibt alles auf, was Euch einfällt. Und sei es noch so absurd. Eine Bewertung erfolgt erst später:

  • Die Befestigung muss möglichst flach und aerodynamisch sein, damit wir möglichst wenig Windkraft verlieren
  • In einer späteren Massenfertigung darf das Ding nichts kosten
  • Das Gewicht muss möglichst gering sein
  • Die Befestigung darf nicht vibrieren
  • Die Montage soll einfach sein
  • Fehler bei der Montage sollen erkennbar sein
  • Weiß soll die Farbe sein
  • Die Farbe soll möglichst umweltfreundlich und recylebar sein
  • Die Befestigung muss Drehzahlen bis zu 1000 U/min aushalten
  • Sie muss sicher sein, also niemanden verletzen
  • Das Drehmoment ist mittel (das mit den Newton-Metern ermitteln wir halt empirisch)
  • Lange Lebensdauer
  • Witterungsbeständig
  • Und muss super aussehen!

Ganz schon viel! Hättest Du das gedacht?

Ein Tipp: Gerade für die Ermittlung der Anforderungen können Freunde und insbesondere fachfremde Menschen eine große Hilfe sein. Sie sehen die Welt nicht aus technischer Sicht wie du, sondern sehen auch Probleme, die sie als Nutzer hätten.

Im nächsten Teil geht es dann weiter mit der Bewertung der Anforderungen.

 

Von Zufall nach Irrtum: Rapid Prototyping mit System
Markiert in:                    

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.