TECHNISCHE UNIVERSITÄT ILMENAU Institut für ...€¦ · • National and international networking of product development • Modifications of the engineering tools under influence

Jun-02- 1 -

TECHNISCHE UNIVERSITÄT ILMENAU

Institut für Maschinenelementeund Konstruktion

June 2002IST Lisbon

Experiences with Multimedia in

Teaching Engineering

Design

Jun-02- 3 -



Experiences with Multimedia in Teaching Engineering DesignProf. Dr.-Ing. habil. G. Höhne, TU Ilmenau

1 Introduction

2 Forms of knowledge transfer using multimedia

3 Computer-supported presentation

4 Learning modules for private studies

5 Elaboration of teaching material

6 Conclusion

IST Lisbon

Jun-02- 4 -



Specification

Design

Concept

Documentation

FabricationUse

Recycling

• Alternation of abstraction and concretisation

of product description

• Three dimensional imaging faculty

• Recognising properties and requirements

by means of an product existing only virtually

• Developing the solution field by means of

systematic and intuitive methods

• Criticising and evaluating of own and someone

else’s solutions

Design taskDesign task

Characteristics of Design Education

Jun-02- 5 -



• Shortening of the product innovation cycles

• Changing from seller’s to the customer’s market

• Reducing the fabrication depth

• National and international networking of product development

• Modifications of the engineering tools under influence of information and communication technologies

Actual Requirements on Engineering Design

Requirements of the practical

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1. Basic StudiesAdequate relations between Mathematics, Natural and Engineering disciplines

2. ContinuityDealing with engineering design tasks during the complete studies

3. UniformityDidactic concept in lessons and exercises based on Design science

4. Coordination and IntegrationInteraction of different disciplines to train engineering design

5. SupervisionTeamwork with individual and group supervising

Principles of teaching Engineering Design

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6. Characteristic of Design TasksFor training of designing capability should be preferred praxis oriented tasks

7. Design MethodologyStarting in the first semester design methods should be used with increasing complexity (button up). Complete overview in the higher semesters

8. CriticismTraining of criticism and self criticism focussed on essential properties of complete solutions and design details during the design process.

9. Test of prototypesAs possible the design result should be realized and tested

10. Working placeEach student should be have access to a designer working place

Principles of teaching Engineering Design

Jun-02- 8 -



Broad-band networkTeleteaching lectureand seminar roomsof other universities

Seminar room

Private study, project work

Lecture room LearningLearningEnvironmentEnvironment

Server withteachingmodules

for local and teleteaching purpose

for local and teleteaching purpose

Internet

Learning Environment using informationand communication technologies

Jun-02- 9 -



- blackboard- overhead- transparencies, video- demonstration models

- blackboard- overhead- transparencies, poster,

flipchart

- textbooks and other literature

- scripts- teaching material

- presentation of texts and graphics

- animation, simulation

- computer-lab- integrated into a network- individual and team work

- pc-work station- educational software- learning on demand

- tele-teaching- video, audio and data transfer- completely digital

- tele-seminar- bidirectional connection

between different sites

- web-based private study- access to e-mail- news groups- chat

SeminarLecture Private study

Kinds of education

Didactical kinds of education

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Seminar Private study

- Tafel, Kreide- Tageslicht-/Dia-- Projektoren- Modelle, Lehrfilme...

- Tafel, Kreide ...- Poster, Flipchart- Handskizzen- individuelle u. Gruppenarbeit

- Lehrbücher u.a.- Skripte- Lehrblätter

- Projektion digitalaufbereiteter Texte u.Grafiken

- Animationen- Interaktion (Maus,

Tastatur, Whiteboard)

- vernetzte Tutor- u.Studentenrechner-arbeitsplätze

- interaktives/selbstän-diges Arbeiten

- PC-Arbeitsplatz- Lernsoftware- Lerning on

demand

- Televorlesung- bidirektionale Video-/

Audio-/Datenver-bindung

- mehrere Empfangs-hörsäle

- Teleseminar- bidirektionle Verbin-

dung computerba-sierter Sem.-Räume

- tutorgeführterDatenaustausch

- WEB-basiertesSelbststudium

- Internet- E-Mail, Chat- Newsgroups

Kinds of education

Lecture


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SeminarLecture Private study










demand








- Internet- E-Mai, Chat- Newsgroups

Kinds of education


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SeminarLecture










demand








- Internet- E-Mail, Chat- Newsgroups

Kinds of education

Private study


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Erklärung der Zweitafelprojektionin einem Buch

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Erklärung mit Hilfe einer Animation

dF

dF

s

F

dW

3. Federarbeit zugbeanspruchter FedernBeispiel: ZugstabfederAllgemeiner Ansatz:

Ansätze am Volumenelement dV:

y

xz

Federkennlinie:

Federarbeit des Volumenelements:

s

F F

l

dV

dF

dy

dz

sl

dx ds

dF ·ds2dW =

dx ·dy ·dzdV =

ds

F

dV

Federarbeit einer ZugstabfederJun-02- 15 -

TU IlmenauInstitut für Maschinenelemente

und Konstruktion

ds:

dF:

aus e = Dll =sE

aus s = dFdA =

s

dF

F

ds

dW

Berechnungsansätze für die Federarbeit am Volumenelement dV:

dW = 12 dF · ds

dFdy ·dz folgt nach Umstellen: dF = s ·dy ·dz

folgt mit Dl = ds und l = dx : ds = e· dx = sE · dx

dW = sE ·dx =12

s2E · dx ·dy ·dz =

12

s2E· · dV

W = s2

2E · V = Wopt

12 s·dy ·dz · ·

fff· s2

2E · dx ·dy ·dz =x y zf s

2

2E · dV =V

dFdF

dy

dz

dx ds

Federarbeit einer ZugstabfederJun-02- 16 -


und Konstruktion

Blattfeder mit Trapezform

Blattfedern mit veränderlichem Querschnitt– Blattfeder mit Trapezform

a) Verformung

b) Spannung c) Federarbeit d) Artnutzwert mit Grenzen

s =F·l3

2EIz0

1- 4b +3b2 - 2b2 ·lnb(1- b)3 =

K1 ·F·l3

3EIz0

mit K1 =32 ·

1- 4b +3b2 - 2b2 ·lnb(1- b)3

sbmax =MbWb0

sbzulhA(b=1) =

19

hA(b=0) =13

Iz = f(x)=h3

12·b(x); h = konstant

Iz0 =b0 · h3

12(an der Einspannstelle)

xl

mit b(x) = b1 + (b0 - b1)

b1b0

l

x

b(x)

F

s

nach Arbeitsblatt 3.2b=b1b0

und

Iz =h3

12b1 +

xl

(b0 - b1) (allgemein)

WF = K1 ·sb2V18E

21+b

· hA =19 K1 ·

21+b

;

Jun-02- 17 -


und Konstruktion

Blattfeder mit veränderlicher Dicke h

Blattfedern mit veränderlichem Querschnitt– Blattfeder mit veränderlicher Dicke

a) Verformung

b) Spannung c) Federarbeit d) Artnutzwert

sb =MbWb0

sbzul

s = K2F·l3

3EIz0mit K2 = f(d) nach Arbeitsblatt 3.2

b = konstant12Iz =

f(x) = ·h3(x);b

Iz0 =b h03

12(an der Einspannstelle)

Bei linear veränderlicher Dicke h:

Andere Funktionen:

√Parabel der Formen h(x) = h0 xl oderh(x) = h0

xl√

3

F

sl

x

h(x)

mit d= 1-h1h0

h(x) = h0 1 - d +xl

d und

WF = K2sb2V18E

· 22-d

hA =19 K2 ;·

22-d

hA19

14

(Grenzen 0 d 0,5)

Iz =b12

h033

(allgemein)1 - d +xl

dh1h0l

F

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und Konstruktion

Feder-Parallelschaltung

Parallelschaltung

R

F

F

s

R2

F1

s

F2 R1

R2 R1

l

s

Fa

Jede Feder legt den gleichen Federweg s zurück:

Die Kraft F teilt sich auf die einzelnen Federn auf:

R = = R1 + R2 + ...Fs

Die Gesamtfederrate R einer Feder-Parallelschaltungist stets größer als die der Einzelfedern.

Die Gesamtfederrate R ist dann:

Fe 41

s = s1 = s2 ...

F = F1 + F2 + ...

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und Konstruktion

Die Gesamtfederrate R einer Feder-Reihenschaltungist stets kleiner als die der Einzelfedern.

Reihenschaltung

Feder-Reihenschaltung

Jede Feder wird durch die Kraft F belastet:Der Weg s teilt sich auf die einzelnen Federn auf:

R =R1 · R2R1 + R2

F

s

R2

s2

F

R1

s1

R

s

R1

R2

s1

F

s

s2

= + + ...1R1R1

1R2

Die Gesamtfederrate R ist dann mit :

Fe 42

F = F1 = F2 = ...s = s1 + s2 + ...

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und Konstruktion

FederschaltungBeispiel „Öffnerkontakt“

Charakterisierung der Bereiche:

I: Vorgespannter Zustand der Feder 1 mit F1= FKo und sv1 (im Gleichgewicht mit Feder 2 durch F2= FKo und -sv2)

II: 0 FS Rges ·sv2 ; 0 sS sv2Parallelschaltung, es gilt:

(R1 + R2) ·sS = Rges ·sS

Grenzwerte: FS (s = 0) = 0; FS (sS = sv2) = Rges ·sv2

III: FS > Rges ·sv2 ; sv2 sS (sv2 + a);

Feder 2 entlastet, es entsteht Kontaktabstand a = sS - sv2

· SchaltvorgangSchaltvorgang

FS

sS

sS

Rges

F

sv1 sv2

FKoR1 R2

s

FS: SchaltkraftFKo : Kontaktkrafts: Federweg, allgemein sS: Schaltwega: Kontaktabstand

III

III

FS (sS) = F1 (sS) - F2 (sS) = (FKo + R1 · sS) - (FKo - R2 · sS) =

FS = R1 (sS - sv2)

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und Konstruktion

F = FS

sS

c) Kontaktblattfedern mit Kontaktabstand a (Schließerkontakt)

a

– Ruhezustand

– Schaltvorgang Einleiten der Schaltkraft über Feder 2 (F = FS )

Ablauf des Schaltvorgangs:

FederschaltungBeispiel „Schließerkontakt“

F

s

R2

a

I

sS

II

FS(sS)

R1·a

R1

Rges

FS

II: Parallelschaltung, zwischenFeder 1 und 2 wird die Kontaktkraft FKo aufgebautR2

(nur Feder 2 wird bewegt)I: 0 FS R1 · a; 0 sS a

R1 · a FS R1 · a + FKosS a; FS(sS) = Rges ·(sS - a)

FS(sS - a) = FKo

FS: SchaltkraftFKo : Kontaktkrafts: Federweg, allgemein sS: Schaltwega: Kontaktabstand

FKo

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und Konstruktion

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Brainstorming

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Modellierungs-Schritte

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Ableitung von 2D-Zeichnungsansichten

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Ableitung von 2D-Zeichnungsansichten

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Ableiten der Zeichnungsansichten

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1.1. - 2D-Skizze mit Standard-AutoCAD.Befehlen(ungenaues Arbeiten möglich)

Grundlegendes Vorgehen zur Bauteilmodellierung

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Grobskizze

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2.2. - „Auflösen“ der Grobskizze, Erzeugen eines Profils- automatisches Setzen von Abhängigkeiten

(horizontal, vertikal ...)



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Profilskizze

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3.3. - Hinzufügen von Abhängigkeiten und parametrischen Bemaßungen

- Ergebnis: voll bestimmte Skizze



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Vollständig bestimmte Profilskizze

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3.3. - Hinzufügen von Abhängigkeiten und parametrischen Bemaßungen

- Ergebnis: voll bestimmte Skizze

44.. - Volumengerierung zum skizzenbasierten3D-Volumenelement (Extrusion, Rotation ...)

5.5. - Zuordnung weiterer skizzenbasierter Elemente und/oderplazierter Elemente (Features: Bohrung, Abrundung, Fase...)

- Boolesche Operationen (Vereinigung, Differenz, Durchschnitt- Ergebnis: 3D-Teil


Bem

aßun

gen

und

Abh

ängi

gkei

ten

Bem

aßun

gen

und

Abh

ängi

gkei

ten


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Weitere Abhängigkeiten hinzufügen:

gleicheLänge

tangentialtangential

T2 / T3 und T3 / T4 - tangentialE1 / E5 - gleiche Länge

Abhängigkeiten

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Parametrische Bemaßungen anzeigen, hinzufügen bzw. ändern:

Parametrische Bemaßungen

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Bemaßung mit Gleichungen

Bemaßungsarten

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offene Fläche

Wandstärke (Shelling)

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Grobskizze

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Profilskizze

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Profil mit Abhängigkeiten

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Parametrische Bemaßung

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Vollständig bemaßtes Profil

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Extrusion

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Abrundung

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Bohrung

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Grobskizze „Kreis“

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Jun-02- 63 -



Extrusion mit Vereinigung

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Grobskizze „Rechteck“

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Jun-02- 66 -



Extrusion als Differenz

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Lagerbock

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2D-Zeichnung mit parametrischer Bemaßung

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2D-Zeichnung mit Parameteränderungen

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Variante 1 des Lagerbocks

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Gehäuse Anker

Spulenkörper

Wicklung 1

Wicklung 2

Vergussmasse

KennlinienbeeinflussungAnkergegenstückBoden

Prototyp eines Gleichstrommagneten

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Anker mit Parametern

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Eingabe der Parameter

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Magnet-Modell

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Schrittmotoren

animation

Prinzipvarianten für Linearantriebe

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Beispieldrehbuch für eine Animation

Deckblatt

106. Februar 2002 ~kanzierev\hinterschneidg_guss1.pptModul: Storyboardseite:Storyboarddatei:Gießen.Hinterschneidung.Animation1Stand:

Fertigungsgerechtes KonstruierenZugehörigkeit(In welches übergeordnete Modul ordnet sich dieses Modul ein?)

Sonstiges(Bemerkungen)

ca. 4 MinutenBearbeitungsdauer (Wie lange benötigt der Lernende durchschnittlich für die Bearbeitung?)

Vorlesung, Seminar, Selbststudienmaterialien im Fach Fertigungsgerechtes KonstruierenEinsatzgebiet(Für welche Lehrform - Vorlesung, Seminar, Selbststudium – und für welches Lehrfach ist das Modul gedacht?)

Der Student soll die Probleme im Zusammenhang mit Hinterschneidungen bei der Herstellung von Gussteilen erkennen und motiviert werden, in seinen Entwürfen Hinterschneidungen möglichst zu vermeiden.

Lernziel(Was soll das Modul vermitteln? Was soll derLernende nach der Bearbeitung wissen, können, beherrschen ...?)

Studenten 5. SemesterZielgruppe(Für welchen Personenkreis – Bildungsgrad, Alter usw. – ist das Modul vorgesehen?)

keineVorkenntnisse (Welche Kenntnisse sind für die Bearbeitung des Moduls erforderlich?)

Animation, die auftretende Probleme durch Hinterschneidung beim Ausformen von Gussteilen veranschaulicht

Modulname/Kurzbezeichnung(Wie heißt das Modul? Es kann sich auch nur z.B. um eine einzelne Animation handeln.)

HenkelHenkel06. Februar 200214. Januar 2002

Nachkorrektur

BemerkungBearbeiterDatum

AbnahmeErstellungStatus der Storyboardseite

Bildschirmlayout


Beschreibung:

In einer 3D-Animation sollen die auftretende Probleme durch Hinterschneidung beim Ausformen von Gussteilen veranschaulicht werden.

Zur Unterscheidung der einzelnen Teile der Gussform sind diese verschiedenfarbig zu gestalten.

~kanzierev\hinterschn1.dwg~kanzierev\hinterschn1.max

Datei in Bearbeitunggussteil.aviDatei fertig zum Einbinden

n.2

dieses Storyboard - Seite 3LB 08160 (bei Dr. Chilian)Animatio1 nUnter-Storyboard (Ort, Datei)Quellen (Datei bzw. Ort)QuellenangabeMe# dium

n.21

Unter-Storyboard, Interaktionsplan (Ort, Datei)AktionObjektEre# ignis


Nachkorrektur



Schlüsselszenen

Gesamtes Gusteil langsam einmal um die Senkrechte, anschließend einmal um die Waagerechte drehen, dann anhalten

Transparente Schnitt-ebene einblenden, anschließend den vorderen Teil des Gussteiles einblenden, dann Schnittebene ausblenden

Geschnittenes Gussteil langsam einmal um die Senkrechte, anschließend einmal um die Waagerechte drehen, dann anhalten

Gussteil langsam nach oben aus der Form herausziehen

Deckel langsam nach oben wegbewegen

Kerne langsam seitlich aus der Form herausziehen

Zeit/s11109876#

Die äußeren beiden Teile der inneren Form langsam nach oben aus der Form herausziehen

Die äußeren beiden Teile der inneren Form langsam aufeinanderzugbewegen

Mittelteil der inneren Form langsam nach oben aus der Form herausziehen

Transparente Schnitt-ebene einblenden, anschließend den vorderen Teil nach transparent ausblenden, dann Schnittebene ausblenden

Gesamtes Objekt einmal langsam um die Senkrechte, anschließend einmal um die Waagerechte drehen, dann anhalten

Gussteil als technische Zeichnung einblenden

Zeit/s543210#


Szen

ensk

izze

Bes

chre

ibun

gSz

enen

skiz

zeB

esch

reib

ung

Schl

üsse

lsze

nen

Nachkorrektur




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Auf Grundlage des Drehbuchserstellte Animation

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3D-Modell

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3D-Modell

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3D-Modell

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Advantages:• effective transfer of special knowledge• local independent• training of modern communication technology• individual and collective problem-solving • possibility of individual supervising

Disadvantages:• reduced personal contact• expensive work for preparation• managing of teaching and equipment• non optimum didactic caused by the limited performance

of hardware and software (seminars)

Experiences with teleteaching

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Conclusions

• For teaching Engineering Design should be developed a general basic frame generating the necessary skills and competence of designers within the Curriculum of Engineering courses

• The frame is filled with teaching and learning modules to arriveflexibility with respect to: − actual requirements− subjects and contents of different courses (Mechanical

Engineering, Process Engineering, Transports Mechatronics etc.)− integration with other disciplines− local requirements of the University

• Application of multimedia and networking is one way to improve theefficiency of Education and to prepare the people for life long learning

Conclusions

DeckblattBildschirmlayoutSchlüsselszenen

Documents

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