Auf Basis der Vorarbeiten in der Startphase wurde die Instanziierung der Methodik vor-genommen. Dabei wurde die Aufgabenstellung in der Phase für die Planung der Entwick-lung anhand des Forschungs- und EntwickEntwick-lungsbedarfs in Segmente unterteilt und für jedes Segment die Entwicklung geplant. Dabei wurde der Entwicklungsprozess für jedes Segment individuell angepasst und für die beiden Segmente mit dem höchsten For-schungs- und Entwicklungsbedarf jeweils eine Detailmethodik erstellt. Die Instanziierung
ist als Übersicht in Abbildung 7.1 dargestellt, die Herleitung der instanziierten Inhalte wird in den nachfolgenden Unterkapiteln näher beschrieben.
7.2.1 Planung der Entwicklung und Segmenteinteilung
Die erste Forschungsfrage ergab sich aus dem Stand der Technik und der Problem- bzw.
Aufgabenstellung. Umgesetzt in eine konkrete Entwicklungsaufgabe leiteten sich für die Instanziierung somit die beiden Hauptaufgabenstellungen ab: Vorrichtung und Kontak-tierung zur Abscheidung einer kontaktstellenfreien, vollflächigen Schicht sowie die maß-haltige (homogene) Schichtabscheidung mit entsprechend optimierter Anodentechnik.
Diese Schichtdickenanforderungen weisen starke Wechselwirkungen mit der Vorrich-tungstechnik auf, da bereits zu Beginn der Entwicklung absehbar war, dass ggfs. Blenden benötigt werden und diese im System integriert werden müssen. Die beiden Hauptaufga-benstellungen ergeben somit Segment 1 und 2 für die Instanziierung (siehe Abbildung 7.1, Abschnitt Entwicklungsplanung).
Abbildung 7.1: Instanziierte Methodik für die Problemstellung dieser Arbeit. Innerhalb der Phasen ist eine konstante Abstimmung und Zusammenarbeit zwischen den Segmenten vorgesehen (nicht gesondert grafisch dargestellt).
Segm. 1
Segment 3 Segment 2
Segment 1
Technik für vollflächige und endmaßnahe galvanische Beschichtung von hochbelasteten rotationssymmetrischen Bauteilen, Aufbau eines Technikumsprototyps
Hauptentwicklungsbedarf: Vollflächigkeit und Maßhaltigkeit
Zusätzlich: Anlagentechnik für Prototypanlage, Berücksichtigung neu entwickelte Verfahrenstechnik
Stand der
Teilaufgabe (neu) definieren Aufgabe bearbeiten Review: Bewertung /
Zielerreichung Entscheidung: Weitere
Schleife / nächste Phase
Das dritte Segment stellen die restliche Anlagentechnik mit Behältern, Steuerung, Pum-pen, Rohrleitungen, Spültechnik usw. dar. Die Verfahrenstechnik wurde im Rahmen dieser Arbeit nicht als Entwicklungsteil betrachtet, stellt jedoch durch die Wechselwirkungen ebenfalls ein relevantes Segment (Segment 4) dar. Abgeschlossen wurden die Segmente mit der Peripherie der Anlage (Segment 5). Für industrielle Anlagen wären die rechtlichen Aspekte (Genehmigung, Umweltschutzauflagen etc.) als weiteres Segment sinnvoll. Da die Entwicklung sich hier auf den Prototyp im Technikum beschränkt, sind diese Aspekte durch den normalen Technikumsbetrieb gedeckt und somit für die Arbeit nicht weiter zu betrachten.
7.2.2 Segmentplanung und weiterer Entwicklungsbedarf
Auf Basis der ermittelten Entwicklungssegmente wurde die Methodik aufgebaut und die Ziele für die Planungsphase als erstem Abschnitt definiert. Für die beiden Hauptfragestel-lungen war eine genauere Detaillierung der iterativen Schritte in der Segmententwicklung notwendig, für die Segmente 3 bis 5 wurde durch das geringere Entwicklungsrisiko (An-lage, Peripherie) bzw. außerhalb erfolgten Arbeiten (Verfahrenstechnik) keine spezielle Anpassung notwendig.
Segment 1
Durch die unklare technische Machbarkeit wurde für den Bereich der kontaktstellenfreien Beschichtung speziell die Problemlösung und die Auswahl eines geeigneten Prinzips be-nötigt, die Vorgehensweise für die einzelnen Phasen wurden daher detaillierter erarbeitet und in die Methodik mit iterativen Zyklen eingebettet. Die Detaillierung über die allgemei-nen Iterationszyklen wurde dabei vorgenommen, da es zwar eine große Zahl an verschie-denen Ansätzen zur Lösungsentwicklung gibt (siehe Methodiken mit Problemlösungsan-sätzen und Abschnitt 4.1.3), dies jedoch in die Gesamtentwicklung eingebettet werden muss und der vorliegende Fall bestmöglich berücksichtigt werden sollte. Eine ausführliche Beschreibung der vorgenommenen Detaillierung erfolgt in Unterkapitel 7.3.
Als Zielsetzung wurde eine Validierung der in der Methodik ermittelten Lösung über eine zu entwickelnde Prototypvorrichtung angestrebt, welche im Rahmen der Gesamtanlage die Durchführung von Versuchsbeschichtungen ermöglicht.
Segment 2
Sehr ähnliche Voraussetzungen wie für Segment 1 gelten für die zweite Hauptfragestel-lung zur endmaßnahen, homogenen Beschichtung. Hierfür wurde eine Kombination aus theoretischer Simulation und praktischen Versuchen entwickelt, welche die Elektrolytei-genschaften für eine Prognose mitberücksichtigen kann. Die Verknüpfung experimentel-ler Daten aus dem unter 3.2.2 beschriebenen Beschichtungsstand mit den Simulationser-gebnissen zur Prognose ist im Rahmen dieser Arbeit erstmalig erfolgt. Die genaue Metho-dik und die notwendigen einzelnen Schritte werden in Abschnitt 7.4 ausführlich beschrie-ben.
Wie auch für das erste Segment wurde eine Validierung in der Prototypanlage zur Absi-cherung der entwickelten Methodik angestrebt. Die konkret zu erreichenden Zielsetzun-gen bezüglich der Toleranzen ergeben sich aus den AnforderunZielsetzun-gen der beschichteten Lagerringe.
Segmente 3 und 5
Die Entwicklung der restlichen Anlage erfordert keine spezielle Betrachtung, da es sich bei der Anlage außerhalb der Vorrichtungs- und Anodentechnik um einen überwiegenden Aufbau nach Stand der Technik handelt. Ein erhöhtes Entwicklungsrisiko, welches eine besondere Entwicklungs- oder Bewertungsmethodik zur Absicherung der Ergebnisse er-fordert, war somit nicht gegeben. Gleiches gilt für die Peripherie. Durch das vorhandene Technikum mit bereits verfügbarer Infrastruktur waren diese Aspekte zwar zu beachten, es waren jedoch keine kritischen Probleme zu erwarten.
Ziel der Segmente ist eine betriebsbereite Prototypanlage für Versuchsbeschichtungen und geeigneten Schnittstellen zur bestehenden Infrastruktur. Insbesondere für Segment 3 stellt die Bereitstellung ausreichend genauer und aktueller Planungsdaten (z. B. CAD-Modelle und Abmessungen für die Konzepte aus Segment 1 und die Simulationsrechnun-gen in Segment 2) im Entwicklungsprozess eine essenzielle Aufgabenstellung dar.
Segment 4
Eine Besonderheit für die Instanziierung und das nachfolgende Fallbeispiel stellt die Ver-fahrenstechnik dar. Wie bereits beschrieben war diese nicht Bestandteil dieser Arbeit und wurde damit auch im Rahmen der Methodik nicht detailliert eingebettet. Auf Grund der Wechselwirkungen mit den anderen Segmenten wurde jedoch ein kontinuierlicher Infor-mationsaustausch vorgesehen. Ziel war hierbei, möglichst alle aus der Verfahrenstechnik notwendigen Anforderungen und Randbedingungen in der Entwicklung berücksichtigen zu können, auch wenn diese ggfs. durch neue Entwicklungen und Erkenntnisse häufigen Veränderungen unterliegen.
7.2.3 Segmententwicklung
Für die Phase der Segmententwicklung wurden die Ziele definiert, welche für den Über-gang in die Gesamtentwicklung erreicht werden sollen. Die hier definierten Ziele stellen die Grundlage dar, um in den iterativen Schritten der Gesamtentwicklung die notwendi-gen Informationen und Daten zu erhalten und auch zu bewerten, bzw. im Falle der Vor-richtungstechnik diese auf Basis eines Konzepts zur Umsetzungsreife entwickeln zu kön-nen. Die zu erreichenden Ziele für die Segmente vor dem Übergang in die Gesamtsyste-mentwicklung waren dabei
Segment 1: Erarbeitung eines bestmöglichen Konzepts für die Beschichtungsvor-richtung inkl. der Kontaktierung, welches im Rahmen der Gesamtanlage umge-setzt werden kann.
Segment 2: Aufbau eines Simulationsmodells, eines Optimierungsvorgehens für die Stromdichteverteilung und einer Prognosemethode zur Berücksichtigung ver-fahrenstechnischer Einflüsse.
Segment 3: Konzept für die Gesamtanlage, welches z. B. die Anzahl der Stationen und Spülen, benötigte Komponenten und ein für die Segmente 1 und 2 geeignetes Konzept für das Behälterdesign beinhaltet.
Segmente 4 und 5: Klärung der Anforderungen, d. h. bekannte Auslegungspara-meter aus der Verfahrenstechnik (z. B. Anforderungen an verwendete Werkstoffe
auf Grund der Arbeitstemperaturen und eingesetzten Chemikalien, Stromdicht-ebereich für Beschichtungen), Schnittstellen von und zur Peripherie / Infrastruktur, Konzept für Steuerungs- und Regelungstechnik usw.
Die durchgeführte Segmententwicklung für die Segmente 1 und 2 wird in den Abschnit-ten 7.3 und 7.4 beschrieben. Für die Segmente 3 bis 5 erfolgte dies innerhalb der defi-nierten Standardzyklen unter Berücksichtigung der fortschreitenden Ergebnisse aus den jeweils anderen Bereichen.
7.2.4 Gesamtsystementwicklung
Die Gesamtsystementwicklung als Weiterführung der Segmententwicklung wird nach Er-reichen der definierten Zielsetzungen gestartet. Dabei wird in iterativen Zyklen der Detail-lierungsgrad zunehmend erhöht und im Vergleich zur Segmententwicklung auch stärker miteinander verknüpft entwickelt. Beispielhaft sind hier die eigentliche Vorrichtung und die Schichtdickenoptimierung eng miteinander wechselwirkend: Jede konstruktiv not-wendige im Aktivraum zwischen Anode und Bauteil befindliche Komponente wirkt sich auf die Stromdichteverteilung aus, umgekehrt sind zur Optimierung Anpassungen und ggfs. Zusatzbauteile wie Blenden notwendig, welche die Ausführung der Beschichtungs-vorrichtung betreffen. Es wird somit ausgehend von den Ergebnissen (Konzepten, Simu-lationsmodellen usw.) aus der Segmententwicklung eine gemeinsame bestmögliche Lö-sung entwickelt, welche die Belange aus allen Segmenten berücksichtigt und ineinander integriert.
Durch die zyklischen Schritte zur Bewertung der Zielerreichung wird im Entwicklungspro-zess geprüft, ob die Umsetzungsreife erreicht ist, oder eine weitere Entwicklungsschleife benötigt wird. Dies betrifft sowohl die eigentliche Funktion des Gesamtsystems, als auch die ggfs. notwendigen Rahmenbedingungen (projektspezifische Kriterien wie erreichte Meilensteine, externe Abhängigkeiten – z. B. bei größeren Anlagen die Genehmigungs-prozesse). Im Rahmen des Fallbeispiels (Kapitel 8) wurden aus projektspezifischen Grün-den beispielsweise einige Optimierungsschleifen in Grün-den laufenGrün-den Anlagenbetrieb ver-schoben.
7.2.5 Umsetzungs- und Validierungsphase
Im Rahmen dieser Arbeit und der Instanziierung wird für das Fallbeispiel nur eine Entwick-lungsstufe betrachtet: Eine Prototypanlage zur Beschichtung eines speziellen Wälzlager-typs. Die Hochskalierung auf den industriellen Maßstab war zum aktuellen Forschungs-stand noch nicht vorgesehen, so dass die Methodik auch nur für eine Entwicklungsstufe durchlaufen wurde.
Die Umsetzung wurde nach positiver Bewertung und entsprechender Entscheidung in der Gesamtsystementwicklung begonnen, was Beschaffung, Fertigung und Montage bis hin zur Inbetriebnahme umfasst. Mit dem Erreichen eines funktionsfähigen Gesamtsystems konnte die Validierung erfolgen (siehe Fallbeispiel in Kapitel 8 und insbesondere Abschnitt 8.3). Mittels der Validierungserkenntnisse konnten in eng gefassten Optimierungszyklen für die Schichtdickenverteilung weitere Verbesserungen durchgeführt werden. Die Finali-sierung betrifft im Rahmen der Instanziierung den Technikums-Regelbetrieb, d. h. die Funktionsprüfung und Optimierungen wurden abgeschlossen und die Betriebsparameter wurden definiert. Mittels der Parameter wurde die Beschichtung von Lagerringen durch-geführt, welche dann weiter analysiert und geprüft werden konnten.