Schweizer Universität führt Studierende mit NX, Teamcenter und Simcenter von grundlegenden Skizzen zu patentreifen Konstruktionen

Systemorientiertes Denken lehren

„Eine gute Universität vermittelt nicht nur Wissen, sondern sie lehrt auch zu denken“, sagt Lino Guzzella, Präsident der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich. „Deshalb lehren wir Grundlagenwissen und Fertigkeiten auf höchstem internationalem Niveau: So stellen wir sicher, dass die Studierenden für die Bewältigung heutiger und zukünftiger Herausforderungen bestens vorbereitet sind.“ 

Die 16 Fachbereiche der Universität decken ein breites wissenschaftliches Spektrum ab, und zahlreiche strategische Initiativen, Kompetenzzentren und Netzwerke fördern die interdisziplinäre Zusammenarbeit. Ergänzend zur Vermittlung methodischer Fertigkeiten und fachspezifischem Wissen unterstützt die ETH Zürich interdisziplinäres, systemorientiertes Denken. Die Studierenden lernen kritisch zu denken und verantwortungsvoll zu handeln, arbeiten in internationalen Teams und sprechen mehrere Sprachen. Dies macht die ETH Zürich zu einem Ort, an dem innovativ denkende Menschen visionäre Ideen hervorbringen und innovative Produkte entwickeln. Bei Arbeitgebern sind die Absolventen der ETH Zürich durch ihr breitgefächertes Wissen und ihr lösungsorientiertes Denken sehr beliebt.

In a bachelor’s degree focus project, a team of five mechanical engineering students and one industrial design student used NX to develop a revolutionary mechanism to link boots and alpine ski bindings to facilitate nearnatural walking for ski touring.

Bei Null beginnen

Wir bilden Studierende für Spitzenleistungen und Führungspositionen in Wissenschaft und Industrie aus“, sagt Dr. Kristina Shea, Professorin für Konstruktion und Informatik an der ETH Zürich. „Zu unseren Herausforderungen gehört die breite Vielfalt an Voraussetzungen, die unsere 500 Studienanfänger im Bereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik mitbringen.“ Deshalb beginnt ihre Ausbildung mit den Grundlagen der Konstruktion. 

Im ersten Semester lernen die Studierenden Handskizzen anzufertigen, bevor sie auf computergestützte Konstruktion (CAD) umsteigen. Die Teilnehmer erlernen die Grundlagen und Methoden von CAD, die für das featurebasierte und parametrische Modellieren komplexer technischer Produkte notwendig sind. „In diesen Kursen verwenden wir NX von Siemens PLM Software“, erklärt Martin Schütz, der die PLM-Software-Installationen an der ETH Zürich betreut. Er verwaltet die 1500 NX™-Software-Lizenzen der Universität, von denen einige auch für die Simulation und die computergestützte Fertigung (CAM) eingesetzt werden. 

Im CAD-Kurs des ersten Semesters entwickeln die Studierenden ballonbetriebene Modellautos, die sie auch in einem Rennen testen. Innerhalb gegebener Dimensionen für das Gesamtfahrzeug und bestimmte Komponenten konstruieren sie alle Teile ihres Autos außer den handelsüblichen Luftballons. Anschließend übergeben die Studierenden ihre Konstruktionen, die sie mit NX erstellt haben, für die Teileproduktion an 3D-Drucker. 

„Wir versuchen den Studierenden systematisches Denken beizubringen, sodass sie gute Konstruktionen erstellen können“, kommentiert Shea. „Indem wir sie lehren, computergestützte Konstruktion und digitale Produktion zu kombinieren, versuchen wir, sie bestmöglich auf ihre späteren beruflichen Herausforderungen vorzubereiten.“ 

Nachdem die Autos fertig montiert sind, testen die Studierenden sie in einem Rennen, um zu sehen, welche Konstruktion am besten funktioniert. Das Rennen stellt nicht nur einen abschließenden Test für die Konstruktion dar, sondern fördert auch die Motivation, bietet Erfolgserlebnisse und stärkt den Teamgeist. In erster Linie geht es aber um den Spaß an der Sache. So können die Studierenden ihre Konstruktionsfähigkeiten und ihr Wissen trainieren.

Using NX to perform structural analysis and kinematic simulations enabled ETH students to rapidly test and optimize the design of the TourBo articulated touring boot.

Praxisorientierte Bachelor-Fokusprojekte

Im dritten und vierten Jahr ihres Bachelorstudiengangs erhalten die Studierenden die Möglichkeit, an Fokusprojekten zu arbeiten. Sie entwickeln Ideen und konstruieren Produkte so weit, dass sie zur Produktion, Komplettierung und Vermarktung an industrielle Hersteller übergeben werden können. 

Ein Team aus fünf Maschinenbaustudenten und einem Industriedesignstudenten entwickelte einen bahnbrechenden Mechanismus zur Verbindung von Skischuh und Alpinbindung. Dieser soll nahezu natürliches Gehen ermöglichen, sodass Skitouren angenehmer gestaltet werden; ein Sport, der Bergaufgehen und Abfahrtski umfasst. 

Bisherige Tourenbindungen arbeiten nach dem Prinzip der Alpinbindung und ermöglichen das Anheben der Ferse beim Bergaufgehen, merkte einer der in das Projekt involvierten Studenten an. Diese Bewegung ist alles andere als ergonomisch, und Gewichtseinsparungen für einen besseren Komfort gehen oft auf Kosten der Stabilität der Bindung und der Sicherheit bei der Abfahrt. 

Die Studierenden verfolgten einen völlig anderen Ansatz, indem sie die Tourenfunktion in den Schuh integrierten (daher auch der Name TourBo, abgeleitet von Touring Boot). Sie konstruierten einen Doppelgelenkmechanismus zwischen der Innen- und Außensohle des Skischuhs. Im entriegelten Zustand ermöglicht dieses zum Patent angemeldete Modul das Anheben von Ferse und Fußspitze. Dies ermöglicht eine beinahe natürliche Gehbewegung, bei der ein Großteil der Kraft nach hinten wirkt. Beim Bergaufgehen kann der Skischuh vorwärts geneigt eingestellt werden. Für die Abfahrt wird dieser Mechanismus verriegelt. So können die hohe Sicherheit und gewohnte Stabilität der handelsüblichen Bindung wirken, die den Skischuh hält. „Skifahrende müssen für den Allzweck-Skischuh TourBo vielleicht etwas mehr bezahlen“, sagt Shea. „Andererseits brauchen sie keine getrennten Skier und Bindungen mehr und müssen keine Kompromisse bei den jeweiligen Arten des Skifahrens eingehen.“ 

Beim Bachelor-Fokusprojekt nutzen die Studierenden NX für sämtliche Entwicklungsschritte, von der Anforderungsdefinition bis zur Detailkonstruktion. Mithilfe importierter 3D-Modelle handelsüblicher Skischuhe und Bindungen erstellten sie einen digitalen Zwilling des gesamten Mechanismus. Für das Produktdatenmanagement und für die workflowgetriebene Zusammenarbeit verwendeten sie auch die Software Teamcenter®, ein umfassendes Portfolio von Softwarelösungen für das Produktlebenszyklusmanagement (PLM) von Siemens PLM Software. 

Nach Überprüfung und funktionaler Optimierung ihrer Konstruktion mittels Strukturanalysen und kinematischer Simulationen in NX erzeugten die Studierenden für einen als Sponsor auftretenden Skischuhhersteller die gesamte für die Erstellung eines Prototyps erforderliche Dokumentation. 

„Unsere Studierenden nutzen die 2D-Skizzierfunktion von NX für kinematische Simulation“, sagt Schütz. „Durch Simulieren und Modellieren mit voller Assoziativität können sie ihre Konstruktionen sehr schnell optimieren.“ Der erste TourBo wurde anschließend sowohl in einem biomedizinischen Labor der ETH als auch in einem Schweizer Skigebiet umfangreich und erfolgreich getestet.

Erfahrung in einem Masterprojekt sammeln

Eine solide technologische Grundlage und ein weiter geistiger Horizont bilden die Basis für die Arbeit von Maschinenbauingenieuren am Übergang zu Elektronik, Informatik, Mechanik, Thermodynamik und Chemie, wenn es darum geht, Produkte, Systeme und Prozesse zu entwickeln, zu kalkulieren und zu planen. Das Maschinenbau-Masterstudium beinhaltet ein 12-wöchiges Industriepraktikum und ein Semesterprojekt, in dem die Studierenden mit hoch komplexen Entwicklungsaufgaben in einem offenen, kollegialen Umfeld ihr theoretisches Wissen in die Praxis umsetzen können sowie eine Masterarbeit. Eines der gefragtesten Projekte unter den Studenten des Masterstudiengangs an der ETH ist das Entwickeln, Fertigen und Präsentieren eines vollelektrischen Rennwagens in den Konstruktionswettbewerben der Formula Student. Die Studierenden treiben mit Technologieentwicklungen, wie beispielsweise eigens entwickelten Bremsen und Motoren, Innovationen in der Automobilbranche voran. Durch die Integration von Getriebemotoren in die Radkästen konnten sie Drehzahlen von bis zu 24.000 U/min erzielen. 

Im Akademischen Motorsportverein Zürich (AMZ) der ETH verwenden die Studierenden NX für alle Konstruktionsaufgaben. Sie erstellen einen digitalen Zwilling des gesamten Rennwagens und optimieren ihre Konstruktionen mithilfe des Simcenter™-Portfolios von Siemens PLM Software für Finite-Elemente (FE) Strukturanalyse, Mehrkörper- und Strömungssimulation. Sie gewinnen regelmäßig Wettbewerbe in ganz Europa, und einer ihrer Rennwagen stellte einen Beschleunigungsweltrekord auf. 

Die Entwicklung und Konstruktion von Produkten sind auf keiner Ebene auf das Modellieren beschränkt. „Die Lösungen von Siemens PLM Software für alle Aufgaben von der Skizzenerstellung bis hin zu anspruchsvollen Simulationen, sind eng in NX integriert“, sagt Shea. „Wir begannen Mitte der 90er Jahre nach einer ausführlichen Evaluierung, die Lösungen von Siemens PLM Software zu nutzen und haben dies nie bereut“, sagt Schütz. „Wir hatten nie eine engere Zusammenarbeit mit einem Industriepartner. Unsere Zusammenarbeit mit Siemens PLM Software reicht von perfektem technischem Support bis zu Gastvorträgen zu spezifischen Anwendungsthemen.“

In the first semester CAD course, students designed, built and raced balloon-powered model cars using NX for design work.