Der Elektronikkonstrukteur E-Book

Steffen Braun

• Herausgeber: tredition
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2023

Seitenzahl: 342

Beschreibung

Wissen für den Konstrukteur in der Elektromechanik und Mechatronik. Man nennt ihn auch Elektronikkonstrukteur oder MCAD-Designer. In diesem Buch findest Du Spezialwissen für die Konstruktion von elektrischen oder elektronischen Geräten. Die Beschreibungen des elektrotechnischen Wissens wurden nur dort vertieft, wo es für die tägliche Arbeit notwendig ist. Ziel dieser Buchreihe sowie weiterer Wissensmedien soll sein, für den Elektronikkonstrukteur vollständiges, verständliches und anwendbares Wissen zur Verfügung zu stellen. Er kann es zur Weiterbildung, zur Vertiefung oder auch zur Unterstützung einer Fachlaufbahn als Fachexperte nutzen.

Leseprobe

Steffen Braun

Der Leitfaden für den innovativen Elektronik-Konstrukteur

Band I: Die Grundlagen und die Leiterplatte

Der Leitfaden für den innovativen Elektronik-Konstrukteur

Eine Buchreihe mit praxisorientiertem Wissen für die mechanische Konstruktion von Mechatronik-Geräten. Band 1: Die Grundlagen und die Leiterplatte

Steffen Braun

1. Auflage 2021

Verlag xyz

Innenseite oben:

Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. tbd

© 2022 Steffen Braun

ISBN Softcover: 978-3-347-66313-8

ISBN Hardcover: 978-3-347-66317-6

Druck und Distribution im Auftrag des Autors: tredition GmbH, Halenreie 40-44, 22359 Hamburg, Germany

Das Werk, einschließlich seiner Teile, ist urheberrechtlich geschützt. Für die Inhalte ist der Autor verantwortlich. Jede Verwertung ist ohne seine Zustimmung unzulässig. Die Publikation und Verbreitung erfolgen im Auftrag des Autors, zu erreichen unter: tredition GmbH, Abteilung "Impressumservice", Halenreie 40-44, 22359 Hamburg, Deutschland.

Dedikation-Widmung-Dankesworte

Die letzten hundert Jahre haben wir angenommen, dass es Fachwissen geben müsse…

und einen davon deutlich unterschiedenen Platz, an dem bloß die Arbeit getan werde …

Wir erkennen heute an, dass in einer schnelllebigen, modernen Welt jeder ein Experte sein muss.

Thomas J. Peters

Jeder Experte wusste am Anfang nie, wie er Experte werden sollte - so, ist es für Sie eine gute Voraussetzung, Experte zu werden. John Strelecky

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

I Der Beruf des Elektronikkonstrukteurs

2. Beschreibung des Arbeitsumfeldes und Begriffsbildung

3. Das Elektromechanische System

4. Mechatronik

4.1. Die Entstehung der Mechatronik

4.2. Das mechatronische Entwicklungsteam

4.2.1. Das Team in Abhängigkeit vom Produkt, dem Markt, dem Kunden

4.3. Das mechatronische Produkt

4.3.1. Beispiel Mausefalle

4.3.2. Beispiel Toaster

4.4. Der Mechatronische Kreis

5. Die neue Berufsbezeichnung

5.1. Der aktuelle Stellenmarkt und die Bedeutung der Berufsbezeichnung

5.1.1. Die Berufsbezeichnung

5.2. Die Bedeutung der Suchbegriffe

5.3. Der Konstrukteur

5.4. Der Elektronikkonstrukteur als neuer Begriff

5.5. Elektronikkonstrukteur - die fachliche Beschreibung

6. Vergleich zwischen zwei Berufsfeldern

6.1. Allgemeines

6.2. Definition der Geräte

6.3. Arbeitsinhalte der beiden Berufe

6.4. Beschreibung der Arbeitsinhalte

6.5. Fazit

II Das Wissen des Elektronikkonstrukteurs

7. Einführung

8. Eine Baugruppe, viele Namen - Fachterminologie

9. Die Funktionen einer Leiterplatte

10. Der Aufbau der Leiterplatte

10.1. Die Leiterplatte, die zentrale Baugruppe

10.2. Grundsätzlicher Aufbau aus mechanischer Sicht

10.3. Der Begriff LEITERPLATTE im Detail

10.3.1. Fixierter Abstand

10.3.2. Leiterplatte mit Bauteilen

10.3.3. Die Platte ist starr oder flexibel

10.3.4. Die Schaltung, das Layout und der Nutzen

10.4. Typen-Übersicht nach IPC-6012B

10.4.1. Typ 1: Einseitige Leiterplatte

10.4.2. Typ 2: Doppelseitige Leiterplatte

10.4.3. Typ 3: Multilayer-Leiterplatte ohne Sacklochbohrungen

10.4.4. Typ 4: Multilayer-Leiterplatte mit Sacklochbohrungen

10.4.5. Typ 5: Multilayer-Metallkernleiterplatte o. Sacklochbohrungen

10.4.6. Typ 6: Multilayer-Metallkernleiterplatte m. Sacklochbohrungen

10.5. Technologie-Übersicht nach IPC-6010

10.5.1. Starre Leiterplatten

10.5.2. Flexible Leiterplatten

10.5.3. MCM-x-Leiterplatten

10.5.4. HDI-Leiterplatten

10.5.5. HF-Hochfrequenz-Leiterplatten

10.6. Weitere Technologien

10.6.1. IMS-Technologie

10.6.2. Dickkupfer-Technologie, Iceberg®-Technologie

10.6.3. HSMtec®-Technologie

10.6.4. MID-Technologie

10.6.4.1. Herstellverfahren

10.6.4.2. Vorteile der MID-Gusstechnologien

10.6.4.3. Einschränkungen

10.6.4.4. Wie sieht das MID-postprocessing aus?

10.6.4.5. Kosten und Stückzahlen

10.6.5. Additive Fertigungsverfahren x neu

10.6.5.1. Möglichkeiten

10.6.5.2. Grundfunktionen

10.6.5.3. Wie wird das bei AM erreicht?

10.6.5.4. _Sonderfall weiche Substrate_

10.6.5.5. _Erstellung Multilayer-Leiterplatten_

10.6.5.6. _Substitution durch AM-Technologie_

10.6.5.7. _Prozess: _

10.6.5.8. _Substrate: _

10.6.5.9. Zusammenfassung

10.6.5.10. Folie

10.6.5.11. Keramik

10.6.5.12. DCB-Direct Copper Bond bzw. CPC-Copper Plated Ceramic

10.7. Bestandteile einer bestückten Leiterplatte

10.7.1. Leiterplatte

10.7.1.1. Basis-Laminat

10.7.1.2. prepreg-Laminat

10.7.1.3. Elektrisch leitende Schicht

10.7.1.4. Core-Laminat

10.7.1.5. Bestandteile der Ober- und Unterseite der Leiterplatte

10.7.1.6. Fräsungen

10.7.1.7. Bohrungen (nicht) durchkontaktiert

10.7.2. Bestückung der Leiterplatte

10.7.2.1. Bauelement - Fachterminologie

10.7.2.2. Bauteile allgemein

10.7.2.3. Das Bauteil und dessen Herstellung

10.7.2.4. gelötete/eingepresste Bauteile THT/ SMT/THR/SKEDD

10.7.2.5. gedruckte/aufgesetzte Bauteile

10.7.2.6. aktive/passive Bauelemente

10.7.2.7. diskrete/integrierte Bauteile

11. Die Herstellung einer Leiterplatte

11.1. Übersicht Vorgaben für Leiterplattenhersteller

11.2. Mechanische Vorgaben für eine Leiterplatte

11.3. Schaltung und Layout

11.4. Nutzenherstellung

11.5. Herstellprozess der Bi- und Multilayer-Leiterplatte

11.5.1. Übersicht Herstellprozess

11.5.2. Einführung

11.5.3. Schematische Darstellung der Herstellprozesse

11.5.4. Entstehungsschritte in Bildern

11.5.4.1. Bilayer-Leiterplatte zweidimensional

11.5.4.2. Multilayer-Leiterplatte in sequentiellem Aufbau

11.5.4.3. Multilayer mit außenliegenden Kernen (hier 4-fach)

11.6. Fertigungstechnik von NDK-Bohrungen

11.7. Fertigungstechnik von DK-Bohrungen

11.8. Bestückprozesse

11.8.1. Bestückung allgemein

11.8.1.1. Bestückung SMT

11.8.1.2. Bestückung THR

11.8.2. Bestückprozesse

11.9. Lötprozesse

11.9.1. Löten allgemein

11.9.2. Behandlung nach dem Löten

11.9.3. Übersicht über die Lötverfahren

11.9.4. Handlöten

11.9.5. Wellenlöten

11.9.6. Reflowlöten

11.9.7. Selektivlöten

11.9.8. Lötfehler

11.9.9. Leitkleben

11.10. Prüfprozesse

11.10.1. Visuelle Tests

11.10.1.1. Optischer Test - AOI

11.10.1.2. Röntgen Test - AXI

11.10.2. Elektrische Tests

11.10.2.1. In-Circuit-Test (ICT)

11.10.2.2. Flying Probe Test (FPT)

11.10.2.3. Boundary Scan Test (BST)

11.10.2.4. Funktionstest

11.10.2.5. Voralternde Prüfverfahren (Run-In, Burn-In)

11.10.2.6. Hochspannungstest DC/AC

12. Die Eigenschaften der Leiterplatte

12.1. Beschreibende Parameter von Basis-Laminaten

12.1.1. Werkstoffkennwerte der Basis-Laminate

12.1.2. Isolationseigenschaft

12.1.3. Kriechstromfestigkeit

12.1.4. Mechanische Stabilität

12.1.5. Wärmestabilität

12.1.6. Wärmeausdehnung

12.1.7. Stromtragfähigkeit/Strombelastbarkeit

12.1.8. Spezifische Wärmeleitfähigkeit

12.1.9. Verwölbung, Verwindung

12.1.10. Festigkeit der starren Leiterplatte

12.1.11. Festigkeit der flexiblen Leiterplatte

12.2. Toleranzen der Leiterplatte und der Bestandteile

12.3. Kosten der Leiterplatte

12.4. Gefahren durch Fehler

12.4.1. FMEA und Risikoeinschätzung

12.4.2. Die 13 Gefahren, vor denen die Leiterplatte geschützt werden muss

12.4.3. Die 6 Gefahren, die von einer Leiterplatte ausgehen

12.5. HF-Leiterplatte

13. Abschließendes

13.1. Die Leiterplatte aus der Sicht des Elektronik-Entwicklers

13.2. Die Leiterplatte aus der Sicht des Software-Entwicklers

13.3. Die Leiterplatte aus der Sicht des Elektronikkonstrukteurs

14. Befestigung der Leiterplatte

Literatur

III Anhang

A. Berufe der Konstruktion oder des Konstrukteurs

A.0.1. Der Berufsbegriff

A.0.2. Die fünf Gliederungsebenen

A.0.3. Die vier Anforderungsniveaus

A.0.4. Komplettes Ergebnis der Recherche im alphabetischen Teil

B. Herstellprozess Leiterplatte in 3D-Ansichten

C. Grundlagen

C.1. Zuverlässigkeit, Lebensdauer oder Ausfallrate

C.2. Faserverbund-Kunststoffe

C.3. Begriffe elektrische Spannung

C.4. Das elektrische Feld und der Isolator

C.5. Luftstrecke und Kriechstrecke

C.5.1. LüFTSTRECKE

C.5.2. Kriechstrecke

C.5.3. Anwendungsfälle

C.5.4. Leiterplatte

C.5.5. Zusammenfassung Thema Luft- und Kriechstrecke

C.6. ESD-Elektrostatische Entladung

C.7. EMV-Elektromagnetische Verträglichkeit

C.8. Schraubendimensionierung

C.9. Korrosion

C.9.1. Einflussfaktoren

C.9.2. Korrosionsarten

C.9.3. Normalpotentiale in der elektrochemischen Spannungsreihe

C.9.4. Schichtdicken von Passiv-Oberflächen

C.10. Hauptwirkungen von Umwelteinflüssen

C.11. Reihenfolge von Umweltprüfungen

C.12. Analogien Mechanik und Elektrotechnik

C.13. Dichtigkeit nach IP-Schutzklassen

C.14. Additive Fertigungsverfahren - ein aktueller Überblick

D. Wichtige Tabellen

D.1. Eigenschaften Laminatwerkstoffe

D.1.1. Laminate in Standard-Ausführung

D.1.2. Vergleich der Laminate in Standard- und HF-Ausführung

D.2. Umrechnung der Einheiten zwischen SI und anglo-amerikanischem System

D.2.1. Umrechnung von SI-Einheit nach angloamerikanisch

D.2.2. Umrechnung von anglo-amerikanisch nach SI-Einheit

D.3. Grundtoleranzgrade IT nach ISO 286-2

D.4. Divers

D.5. Kennbuchstaben für die Art des Betriebsmittels, siehe zickertlp + händschke, S50 nach DIN 40719-2, EN 81346-2

D.6. Relative Permettivität εr

D.7. Durchschlagfestigkeit E

D.8. Wärmeleitfähigkeit λ

D.9. Linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient α

E. Normen und Richtlinien

E.1. Gerätebezogene Normen und Richtlinien

E.2. Entwicklungsprozesse

KAPITEL 1

Einleitung

Innovative mechatronische Produkte für zukunftsweisende Technologien wie das Internet of Things, E-Mobility oder die Industrie 4.0 entstehen im mechatronischen Entwicklungsteam.

Daher ist Fachexpertise in diesem Team unerlässlich.

Für die mechanische Produktentwicklung ist in diesem Team der Elektronikkonstrukteur verantwortlich. Er kann sich gezielt mit diesem Buch in seinem Spezialgebiet weiterbilden.

Der Autor Steffen Braun kombiniert sein Erfahrungen mit dem Wissen aus Literatur und Normen. Seine 20 Jahre Berufserfahrung haben gezeigt, dass es in diesem Beruf Spezialwissen gibt, das für einen Fachexperten unerlässlich ist.

Für wen ist das Buch?

Das Buch richtet sich an Sie als Produktentwickler von Gehäusen zum elektrischen und mechanischen Schutz und zur Benutzbarkeit der Elektronik. Sie haben entweder Maschinenbau oder Mechatronik als Techniker oder Bachelor bzw. Master absolviert.

Deswegen wurden die Inhalte besonders aus mechanischer Sicht mit mechanischem Fachjargon erklärt.

Bei der Literaturrecherche hat sich immer wieder gezeigt, dass sie nicht den mechanischen Entwickler als primäre Zielgruppe hat. Da die gefundenen Inhalte aus mechanischer Sicht nicht immer verständlich und vollständig sind, möchte dieses Buch diese Lücke schließen.

Der Autor definiert für Sie als Entwickler den neuen Berufsbegriff Elektronikkonstrukteur. Diese neue und einheitliche Bezeichnung hilft, Wissen und Jobangebote zu finden und sich mit Berufskollegen zu vernetzen.

Außerdem können auch alle Fachleute von diesem Buch profitieren, die in ihrem Beruf mit Elektronik-Flachbaugruppen zu tun haben.

Die mechanische Seite der Mechatronik verstehen lernen

Von Hanus [31, S.9] wird die Rolle der Mechanik in mechatronischen Geräten so dargestellt:

„Die Elektrotechnik [..] und die Mechanik hingen schon immer eng zusammen: Eine [Experimentier-, Anm. d. Verf.] Platine muss auf die erforderliche Größe geschnitten, gebohrt und angeschraubt werden, in das Gehäuse für ein elektronisches Gerät müssen Schalter, Stecker, Displays maßgerecht eingebaut werden usw. Zudem sind in vielen Geräten und Anlagen die elektronischen Systeme mit Elektromotoren und mechanischen Systemen unzertrennlich kombiniert. [..] Die Elektronik beschränkt sich dann nur darauf, als der „oberste Befehlshaber“ die Bewegungen zu steuern und zu regeln.“

Die Notwendigkeit der mechanischen Konstruktion mit Elektronik ist ein wichtiger Faktor für erfolgreiche Produkte und dieser steigt immer mehr.

Dies zeigt der Trend zur „Elektronifizierung“, also die Ausstattung von bisher rein mechanischen Geräten mit elektronischen Bauteilen.

Er findet sich in vielen Bereichen unseres Lebens: Ob das nun die sprachsteuerbare Glühbirne oder der Bluetooth-Lautsprecher ist, überall wird Elektronik zum Helfer für intelligentere, funktionalere Geräte.

Ohne die mechanische Integration mit Funktionen wie elektrische Isolation, Kühlung, Anzeige oder Bedienungselemente wären die Produkte nicht verkaufsfähig.

Also ist das Buch voll mit Wissen über Elektrotechnik?

Dieses Buch DER LEITFADEN FÜR DEN INNOVATIVEN ELEKTRONIKKONSTRUKTEUR wendet sich genau an diejenigen, die aufgrund Ihrer Ausbildung oder Studium vom mechanischen Fachgebiet kommen. Grundkenntnisse aus der Elektronik sind hilfreich, aber nicht notwendig. Darauf aufbauend werden die Randbedingungen vermittelt, die aus der Elektronik für die mechanische Konstruktion notwendig sind. Dies sind die wichtigen Handwerkzeuge für den Alltag des Elektronikkonstrukteurs.

Die Konstruktion eines Gehäuses für Elektronik macht ein Grundwissen über diesselbe notwendig. Es ist aber aus Sicht des Autors nicht erforderlich, komplexes Fachwissen aus der Elektrotechnik zu lernen, um als Elektronikkonstrukteur tätig zu sein. Die Netzwerkanalyse mithilfe von Maschenoder der Knotentechnik oder die Berechnung eines Schwingkreises mit Resonanzfrequenz gehören nicht zu den notwendigen Themengebieten. DieBeschreibungen des elektrotechnischen Wissens wurden nur dort vertieft, wo es für die tägliche Arbeit notwendig ist.

Wenn man darüber nachdenkt, sich elektronisches Wissen aneignen zu wollen, so meint Hanus [31, S.15]: „Der Umstieg von der Mechanik in die Elektronik fällt in den meisten Fällen etwas schwerer als der Umstieg von der Elektronik in die Mechanik. [..] In der Elektronik sind dagegen die meisten Funktionen und Vorgänge optisch nicht nachvollziehbar. Ohne Kenntnisse der theoretischen Grundlagen bleibt dieses Fachgebiet ein undurchschaubares Mysterium.“

Die Struktur des Buches

Im Teil I des Buches wird auf den Fachbereich Mechatronik eingegangen. Er ist aus dem Maschinenbau entstanden und heute für viele Innovationen verantwortlich ↝ Kapitel 4 auf Seite 17.

Um die Geräte entwickeln zu können, muss das Entwicklerteam im mechatronischen Kreis gut aufeinander abgestimmt sein: Jeder kennt seinen eigenen Arbeitsbereich, aber auch die Grenzen zum anderen Kollegen sind klar kommuniziert. So kann das Team optimal zusammenarbeiten ↝ Kapitel 4.4 auf Seite 29.

Bisher fehlte eine Berufsbezeichnung für den mechanischen Part im Entwickler-Team. Dies war hinderlich für eine einfache Jobsuche und die Positionierung. Deswegen wird hier nach einem möglichen Berufsbegriff gesucht. Da die Suche zu keinem passenden Begriff führt, wird der neue Berufsbegriff Elektronikkonstrukteur eingeführt. Zum besseren mechanischen Verständnis werden die Arbeitsinhalte im Detail mit denen des Getriebe-Entwicklers verglichen. Der Autor will das Verständnis für den neuen Beruf stärken durch den Vergleich mit bekannten mechanischen Aufgaben des Getriebe-Entwicklers.

Im Teil II wird Top-Down die

Struktur des Buches: von ungenau nach genau - TOP-Down-Methode

Abkürzungen sind in der Nomenklatur 14 auf Seite 377 zu finden.

-Gender: ich spreche immer von konstrukteur, meine aber immer beide Geschlechter!

Stand der Technik

Ich arbeite seit 20 Jahren in der Produktentwicklung von elektromechanischen und mechatronischen Geräten. Dabei fragte ich mich sehr oft, welchen Anforderungen meine Tätigkeit genügen muss. Immer wieder gingen Meldungen durch die Presse, dass Produktentwickler Teil-Haftung übernehmen mussten für begangene Fehler. Meistens waren damit Schäden größeren Ausmaßes sowie Personenschäden gemeint.

Trotz der Prüfungen vor der Freigabe des Produktes nach der gültigen Maschinenrichtlinie und davon abgeleiteten Normen muss der Entwickler trotzdem nach einem gültigen Standard, dem Stand der Technik arbeiten.

Die Norm DIN EN 45020 schreibt zum Thema Stand der Technik:

Stand der Technik

”Entwickeltes Stadium der technischen Möglichkeiten zu einem bestimmten Zeitpunkt, soweit Produkte, Prozesse und Dienstleistungen betroffen sind, basierend auf entsprechend gesicherten Erkenntnissen von Wissenschaft, Technik und Erfahrung.” [DIN EN 45020]

Die Norm nennt Wissenschaft, Technik und Erfahrung als Basis für den sogenannten Stand der Technik. Ich konnte während meiner Tätigkeit als Elektronikkonstrukteur keine vollständige Dokumentation zum Stand der Technik finden. Den Grund dafür konnte ich mir bis heute nicht erklären.

Ziel dieser Buchreihe sowie weiterer Wissensmedien soll sein, für den Elektronikkonstrukteur vollständiges, verständliches und anwendbares Wissen zur Verfügung zu stellen. Er kann es zur Weiterbildung, zur Vertiefung oder auch zur Unterstützung einer Fachlaufbahn als Fachexperte nutzen.

Teil I.

Der Beruf des Elektronikkonstrukteurs

KAPITEL 2

Beschreibung des Arbeitsumfeldes und Begriffsbildung

Der Wissensstand in unserer Gesellschaft hat sich in den letzten Jahrzehnten stark verändert. Durch viele Erfolge in der Wissenschaft sind wir große Schritte vorangekommen, und es ist nicht verwunderlich, wie sich die aktuelle Revolution zur sogenannten Industrie 4.01 vollziehen konnte. Immer mehr Produkte werden mit Elektronik bestückt, die ihnen Zugang gibt zur vernetzten Welt. Sie werden Teil des sogenannten IoT, dem Internet of Things. Andere aktuelle Top-Trends, weswegen elektronische Geräte und deren Vernetzung in den Markt gedrängt werden, sind der Digital Twin, künstliche Intelligenz (KI2), der Mobilfunkstandard 5G, WLAN6, OPC-UA3 oder die europäische Cloud Gaia-X.

In diesem Prozess der letzten Jahrzehnte entstanden die Berufsfelder Elektronik und Informationstechnik neu oder lösten sich aus anderen heraus ↝ Bild 4.1 auf Seite 22.

Abbildung 2.1.: Rechner Zuse Z3 (Nachbau) zu sehen im Deutschen Museum in München [84]

Ein Teil des Wandels begann mit dem Z3, dem ersten funktionsfähigen Universalrechner [85]. Ich habe in auf einer Messe als Ausstellungsmodell gesehen. Er gilt als der erste funktionsfähige Universalrechner [85]. Vor mir stand nicht das Original, denn dieses wurde im Jahr 1944 zerstört. Aber der originalgetreue Nachbau (↝ Bild 2.1) konnte gut zeigen, wie die Anfänge der Computertechnik aussahen. Der Z3 bestand aus sehr vielen Telefonrelais, die in einem großen Schrank untergebracht waren. Damit war er ähnlich groß wie zwei normale Kleiderschränke. Bedient wurde er mit einem Gerät, das an eine historische Registrierkasse erinnert. Der Z3 besaß damals schon die Hauptbestandteile, die wir bei den heutigen Rechnern kennen, nur eben alles viel größer: Speicher, CPU, Arbeitsspeicher, Display und Keyboard. Es war ganz beeindruckend zu hören, wie sich das typische Geräusch der Relais im Rechenbetrieb angehört hat.

Der Rechneraufbau mit den Relais hat damals den Begriff des Softwarebug4 geprägt. Ein kleines Insekt (Englisch: Bug) konnte damals in die Computerschränke eindringen und eins oder mehrere Telefonrelais in ihrer Funktion stören oder blockieren. Die Operationen des Rechners waren damit nicht mehr sicher gewährleistet, und es kam zu Fehlberechnungen. In den heutigen Computern gibt es keine störenden Insekten mehr (außer sie blockieren Lüfter). Dennoch macht es Sinn, den Begriff Softwarebug weiterzuverwenden. Falsche Rechenoperationen, die zu unvorhergesehenen Zuständen führen, werden heute als Softwarebug bezeichnet. Je nach Software-Qualität kann das an der Tagesordnung sein. Jeder, der regelmäßig mit dem Computer arbeitet, kennt die Situation, dass sich der Rechner „aufhängt“ und ein Schließen (bzw. „killen“) des Programmes oder ein hartes Ausschalten des Rechners nur noch die letzte Rettung zu sein scheinen.

Damit der Z3 vom Schrankrechner zum heutigen Convertible entwickelt werden konnte, musste die Wissenschaft noch einen langen Weg gehen. Es mussten sich neue Berufsfelder bilden. Der klassische Maschinenbau hat sich gewandelt und durch Abspaltung daraus entstand die Elektrotechnik ↝ Bild 4.3 auf Seite 25.

Nach Roddeck [59] war die Fachrichtung Elektrotechnik, insbesondere der Starkstrombereich, in den Anfängen erst ein Teil des Maschinenbaus gewesen, denn wichtige Know-How-Träger wie Ferdinand Braun plädierten im Jahr 1883 dafür, der Elektrotechnik noch keine Fakultät an Universitäten zuzuweisen.

Erst Anfang der 1950er Jahre fand die Elektrotechnik ihren Stammplatz in Fakultäten der Universitäten [59, S.3].

Die Informationstechnik, die sich nach und nach als alleinstehende Disziplin aus der Hardware-Entwicklung entpuppte, bekam ab 1970 ihren eigenen Stellenwert.

Erst als es programmierbare Bauteile gab, die mit eigenständiger Software programmiert werden konnten, wurde auch der Begriff der Informationstechnik notwendig. Diese nannte man speicher-programmierbare Steuerungen (=SPS).

Davor war man davon ausgegangen, dass die Steuerung von Elektronikbausteinen untrennbar mit dem Bauteil und dessen Verdrahtung vereint war. Dies nannte man „verbindungs-programmierbare Steuerung“.

Damit aber ein elektronisches Gerät funktionsfähig entwickelt werden konnte, mussten nun alle diese 3 Berufsfelder in einem gemeinsamen Kontext zusammenarbeiten.

Ein neues Arbeitsumfeld aus Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik musste geschaffen werden.

1siehe Bild 4.1: Industrierevolutionen: 1. ab 1880, 2. ab 1910, 3. ab 1970, 4. ab 2000

2im englischen unter AI=Artificial Intelligence bekannt

3Open Platform Communications Unified Architecture=Datenaustauschformat im industriellen Umfeld, das gleichartig und herstellerunabhängig funktionieren soll

4Der Bug ist schon aus dem 18. Jahrhundert bekannt, als Tiere die Funktionen mechanischer Geräte störten.

KAPITEL 3

Das Elektromechanische System

Im vorigen Kapitel wird von einem Arbeitsumfeld gesprochen, das in der Historie aus Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik zusammengeführt werden musste.

Abbildung 3.1.: Das Relais (geschalteter Zustand=“angezogen“) im Schaltbild als elektromechanisches Bauteil [86]

Dieser Prozess verlief langsam und dauerte einige Jahrzehnte.

Der Prozess begann mit der ersten industriellen Revolution, die im 18. Jahrhundert durch die Erfindung der Dampfmaschine eingeleitet wurde.

Die Industrie ändert sich grundlegend, weil nun die menschliche und tierische Kraft durch die Dampfmaschine ersetzt werden konnte.

Um 1910, kurz vor dem ersten Weltkrieg, gelang es in der zweiten industriellen Revolution, elektrische Maschinen zu bauen.

Zahlreiche Erfindungen im Bereich Maschinenbau, aber auch in der sich bildenden Elektrotechnik waren die Grundlage für diesen Durchbruch. Hierbei wurden viele weitere mechanische Vorgänge und industrielle Anwendungen mithilfe elektrischer Energie möglich.

Die Verschmelzung aus Maschinenbau und Elektrotechnik nennt man das Elektromechanische System oder die Elektromechanik.

Typische Geräte der Elektromechanik sind: der Elektromotor, das Relais (↝ Bild 3.1 auf der vorherigen Seite) und der Schalter. Weitere Baugruppen sind in Tabelle 3.1 beschrieben.

Mit der Zeit werden die elektromechanischen Systeme weiterentwickelt. Sie werden anhand Ihrer Bauteilgröße und der damit verbundenen kleinsten Strukturabmessungen in drei Bereiche unterteilt. Dementsprechend werden bestimmte Fertigungsverfahren angewendet. Genaueres zeigt Tabelle 3.2 auf Seite 16.

Zur Entwicklung und Auslegung von Elektromechanischen Systemen wird auf theoretische Berechnungen zurückgegriffen. So können die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen gekoppelten Elemente berechnet werden. Nach Rüdiger G. Ballas [60, Kapitel 1] besteht das Elektromechanische System aus miteinander gekoppelten elektrischen und mechanischen Funktionselementen. Themengebiete bei der Erstellung eines elektromechanischen Systems sind die Schnittstelle Mensch-Maschine als auch die Schnittstellen innerhalb der Maschine zwischen den sensorischen Prozessgrößen und deren Verarbeitung.

Anwendungsbereich

Beispiele

Verfahrenstechnik

Durchfluss- und Drucksensoren (Piezomesstechnik), elektromagnetische Stelleinrichtungen

Kommunikationstechnik

Kopfhörer, Mikrofon, Kameraobjektiv

Hausgerätetechnik

Kleinmotoren, Heizungsregler

Medizintechnik

Ultraschallwandler, miniaturisierte Druck- und Kraftsensoren, Mikropumpen, Prothetik

Tabelle 3.1.: Beispiele der Elektromechanik [60, Tabelle 1.1]

Zur Beschreibung der Systeme Feinwerktechnik, Mikrotechnik oder Mikrosystemtechnik nutzt man die Netzwerktheorie. Diese Berechnungen sind aus der Elektrotechnik bekannt. Sie werden genutzt, um zum Beispiel die mathematischen Zusammenhänge zwischen den elektrischen und magnetischen Feldern mit Hilfe von Differentialgleichungen zu beschreiben.

Da dieses Buch aber praxisorientiert geschrieben ist, werden wir diese Berechnungen nicht näher vertiefen.

Nur kurz dazu: Die Nutzung der Netzwerktheorie zeigt eine wichtige Eigenschaft des elektromechanischen Systems: Die mögliche Kombinatorik aus mehreren Fachdisziplinen wie zum Beispiel Akustik, Mechanik, Optomechanik, Optoelektronik, Halbleiter- oder Schaltungstechnik vereint die Vorteile ihrer Komponenten. Das bedeutet aber auch, dass alle gleichermaßen am Ergebnis beteiligt und zu gewichten sind.

Elektromechanisches System

typische Bauteilfläche

kleinste-Strukturabmessung

typische Fertigungsverfahren

Feinwerktechnik

> 1 cm2

> 50 μm

NC-Fräsen, Drehen, Bohren, Schleifen, Spritzgießen, Laser-Schweißen, Elektro-Erosion

Mikrotechnik

> 10mm2

< 50 μm

Mikrogalvanik, Mikroschweißen, Lithografische Strukturierung, Dünnschichttechniken (PVD, CVD)

Mikrosystemtechnik

< 10mm2

< 5 μm

Silizium-Volumen- oder Oberflächen-Mikromechanik mit integrierter Mikroelektronik oder integrierter Optik

Tabelle 3.2.: Unterteilung der Elektromechanischen Systeme [60, Tab. 1.2]

Die Elektromechanik ist nach Rüdiger G. Ballas [60, S. 4] ein Teil der Mechatronik. Der Unterschied soll in den Elektronikbauteilen bestehen, die auf einer Leiterplatte bestückt werden. Genaueres wird im nächsten Kapitel 4 ausführlich beschrieben.

KAPITEL 5

Die neue Berufsbezeichnung

5.1Der aktuelle Stellenmarkt und die Bedeutung der Berufsbezeichnung

Die Zusammenarbeit zwischen den drei Bereichen Mechanik, Elektronik und Informationstechnik funktioniert. Davon kann man sich überzeugen, wenn man z. B. den Consumermarkt beobachtet. Dieser wird seit Jahren mit vielen Elektronikprodukten überschwemmt, die sich in Qualität und Funktionalität kontinuierlich über die Jahre verbessern.

Auch die Industriebranchen wie Hersteller von Geräten der Mess-, Steuerungsund Regelungstechnik oder der Medizintechnik sind durchweg von spezieller Gehäusetechnik zur Elektronikintegration betroffen und benötigen hierzu Spezialisten in ihren Entwicklungsabteilungen.

Wenn man aber den aktuellen deutschen Stellenmarkt aktiv beobachtet, dann stellt sich die Frage, wie die Firmen zu potenziellen Mitarbeitern kommen, die für die Entwicklung mechatronischer Produkte notwendig sind.

Besonders für die Besetzung von Stellen des Mechanik-Bereichs in der Mechatronik findet man vergeblich eindeutige Stellenprofile.

Zum Vergleich dazu gibt es für den Elektrotechnik-Bereich eindeutige Berufsbezeichnungen wie den Elektrotechniker, den Hardware-Entwickler, den Energietechniker, den Fahrzeugelektroniker, den Mechatroniker, den Medizintechniker oder den Mikroelektroniker.

Die Stellenausschreibungen im Bild 5.1 auf der nächsten Seite zeigen Beispiele aus aktuell bekannten Stellenportalen. Daraus geht hervor, wie Unternehmen Stellen für die mechanische Entwicklung mechatronischer Produkte bewerben.

Es wird klar, dass sie sehr unterschiedliche Beschreibungen für gleiche Tätigkeiten benutzen, wie zum Beispiel

• „Ingenieur-Konstruktion Frequenzumrichter“,

• „Konstrukteur Automatisierung“ oder

• „Entwicklungsingenieur Geräteentwicklung“, oder auch

• „Konstruktion Feinwerktechnik“,

• „Entwicklungsingenieur Sekundärtechnik“,

• „Konstruktion Gerätebau“ oder

• „Entwicklungskonstruktion für komplexe Systeme in Mechatronik und Automation“.

5.1.1. Die Berufsbezeichnung

Aber warum benötigen wir denn überhaupt einen einheitlichen Namen einer Berufsbezeichnung, wenn die Stellen besetzt sind und damit Produkte entwickelt werden können?

Abbildung 5.1.: Aktuelle Stellenbeschreibungen beispielhaft für die mechanische Entwicklung von Mechatronikprodukten

Eine Berufsbezeichnung hat eine zentrale Bedeutung für viele Bereiche des Lebens.

Die Agentur für Arbeit beschreibt in [3] folgendes zur Wichtigkeit einer Berufsbezeichnung:

↝ „Die Angabe des Berufs oder der beruflichen Tätigkeit ist in allen Statistiken und Erhebungen zum Arbeitsmarkt oder zur sozioökonomischen Lage in Deutschland unverzichtbar. Der Beruf ist weiterhin ein dominierender Aspekt in der Beschreibung von Ausgleichsprozessen am Arbeitsmarkt. Auch in der Vermittlungsarbeit der Arbeitsverwaltung hat die Angabe des Berufes eine zentrale Bedeutung. Eine Berufsklassifikation muss für die Vermittlung die Möglichkeit schaffen, übersinnvolle und praxisgerechte Zusammenfassungen von ähnlichen beruflichen Tätigkeiten zu verfügen. Und schließlich ist der Beruf in allgemeiner Perspektive gleichzeitig ein wichtiger Indikator für die Position einzelner Erwerbstätiger in Wirtschaft und Gesellschaft.“ [3]

5.2Die Bedeutung der Suchbegriffe

In der heutigen Zeit leben wir tagtäglich damit, Wissen zu erfassen, indem wir ihm Begriffe zuordnen und wenn wir sie nicht kennen, nach ihnen zu suchen. Andauernd tippen dazu wir Suchbegriffe in Suchmaschinen ein, um mehr über sie zu erfahren. Wenn es eindeutige Begriffe gibt, die in weiten Kreisen bekannt sind, dann erst bekommen wir weitreichende umfassende Informationen. Viele User, die die Begriffe kennen und etwas darüber wissen, veröffentlichen heutzutage in allen möglichen Medien Information darüber. Schnell ist ein Blog veröffentlicht, oder eine Message in den Social Media geschrieben. Zu Tausenden von Themen findet man im Netz Bücher, EBooks oder Webinare. Intelligente Suchmaschine indizieren das Wissen und bringen es ganz oben auf die Suchergebnis-Liste, wenn es oft gesucht wird. Gerade deswegen muss heutzutage alles einen Namen haben, was in der Wissensgesellschaft wichtig ist. Und dabei ist mittlerweile egal, ob es sich um historische Ereignisse oder um die aktuellsten wissenschaftlichen Erkenntnisse handelt, alles ist suchbar, wenn es einen eindeutigen Namen hat.

Um gerade das Paradebeispiel zu nennen, das nur deshalb entstanden ist, um einen eindeutigen Suchbegriff kreieren zu können: der #Hashtag8. Er fungiert als Schlagwort für die vielen Social Media Dienste, um damit Inhalte in Text-, Bild- oder Videoform zu verknüpfen. Diese Hashtags dienen dazu, im Netz nach Daten vereinfacht suchen und sie entsprechend sortieren und filtern zu können. Auch Projekte sozialer oder politischer Art können damit mit teilnehmenden Menschen verknüpft und von und mit ihnen besser organisiert werden. Die Popularität von Hashtags, die sich in den letzten 5 Jahren gebildet hat, zeigt den Sinn und enormen Nutzen von eindeutigen Begriffen zur Bündelung und das Finden von Wissen.

Aus der Erfahrung mit diesen Hashtags sowie weitere hier genannten Gründe ergeben unabdinglich die Notwendigkeit für alle Beteiligten, einen Namen zu haben für den Beruf, der den maschinenbauseitigen Part in der Entwicklung von elektronischen Geräten übernimmt. Jedes elektronische Gerät benötigt eine Leiterplatte, die bestückt ist mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen inklusive Anzeigeelementen und Anschlusstechnik. Diese Baugruppe muss im Gehäuse untergebracht werden, damit sie vom Anwender benutzt werden kann und er nicht Schaden nimmt, indem er zum Beispiel spannungsführende Teile berührt.

→ Diese Berufsbezeichnung zur Entwicklung dieser Features ist meiner Meinung nach noch nicht existent und sollte schnellstmöglich definiert werden.

Hätte man diese Bezeichnung, dann könnte zum Einen ein Arbeitgeber in seinen Stellenausschreibungen die Stelle gezielt ausschreiben. Zum anderen könnten Stellensuchende durch den einheitlichen Suchbegriff viel besser die Stellen finden, die sie suchen. Wie oben in den Bildern zu sehen, muss er nach einigen Begriffen gleichzeitig suchen. Und trotzdem geht er die Gefahr ein und bleibt in der Ungewissheit, dass er potenzielle Stellenausschreibungen ungelesen verpasst.

Zum anderen ergäben sich Vorteile für erfahrene Entwickler, die schon in dieser Position arbeiten. Sie könnten sich viel einfacher auf deren Visitenkarte beschreiben und bei Kundenkontakt die Tätigkeit ausweisen. Ebenso würden sie sich auf den „virtuellen“ Visitenkarten bei Jobportalen wie Xing oder LinkedIn oder in den Social Media Kanälen näher beschreiben, sich so eindeutiger positionieren und ihre Stellung im Markt stärken können.

Im nächsten Kapitel möchte ich versuchen, den gesuchten Berufs-Begriff herzuleiten.

5.3Der Konstrukteur

Ein Begriff, der die gesuchte Tätigkeit gut beschreibt, ist der sogenannte Konstrukteur.

Zum näheren Verständnis, was dieser Begriff bedeutet, werfen wir einen Blick in das Berufsbildungsgesetz (BBiG). Hier ist der Konstrukteur als Ausbildungsberuf folgendermaßen definiert:

Der Konstrukteur

Der Konstrukteur übt die Tätigkeit des Konstruierens aus. Die Aufgabe besteht darin, Ideen, Überlegungen, Prinzipien, Berechnungen und Fertigungsverfahren auf Grundlage bekannter Standards zu entwickeln, welche die Funktion, die Herstellung sowie die einfache Wartung eines technischen Produkts (einer Maschine oder eines Bauwerks) ermöglichen [BBiG, Berufsbildungsgesetz].

Die Tätigkeit des Konstrukteurs besteht also aus der Entwicklung von Konzepten beziehungsweise der Erstellung von Entwürfen und der Umsetzung in zwei- oder dreidimensionalen Darstellungen.

Das Ergebnis der Tätigkeit des Konstrukteurs ist entweder das technische Produkt ’Maschine’ oder ’Bauwerk’. Beide Produkte sind mit einem sehr weiten Bereich vieler technischer Berufe erreichbar. Aber was kann unter einer Maschine oder einem Bauwerk verstanden werden?

Maschine Nach [82] ist eine Maschine9 ein mechanisches Gerät bestehend aus beweglichen Teilen, die von einem Antriebssystem bewegt werden. Dessen Antriebsenergie, Antriebsart oder die Bewegung sind nicht näher festgelegt. Meistens wird damit erreicht, dass die Maschine dem Menschen als Verstärkung der eigenen Kraft dient, ihm Zeitgewinn, Genauigkeit, feinere Bearbeitungsmöglichkeiten oder die Fertigung vieler identischer Teile bringt. Maschinen bestehen unter anderem aus standardisierten Maschinenelementen, wie z. B. Schrauben oder Zahnrädern. Normenwerke wie aktuell die Maschinenrichtlinie (↝ Kapitel E auf Seite 483) geben den rechtlichen Rahmen zur technischen Konstruktion vor, um Unfallverhütung zu gewährleisten.

Bauwerk Das andere technische Produkt des Konstrukteurs ist das Bauwerk, das als eine Konstruktion mit ruhendem Kontakt zum Untergrund definiert ist [83]. Damit ist alles gemeint, was aus festen Wänden besteht und im Boden verankert wurde, d.h. jedes Gebäude, Brücken, Türme, Mauern oder auch Paläste. Bauwerke können im Hoch- oder Tiefbau errichtet, also auf über- oder unterirdischen Baugrund gebaut sein.

Der Begriff Konstrukteur ist demnach für einen sehr weiten Produktbereich gültig und einsetzbar und die produktspezifische Entwicklungsumgebung ist nicht eindeutig genug erkennbar:

Es macht für mich einen großen Unterschied, Konstrukteur eines Palastes oder eines Smartphone zu sein.

Ziel dieses Kapitel soll sein, einen genaueren Begriff der beschriebenen Tätigkeit zu finden.

Meine Recherche geht weiter.

Ich werde fündig bei der Agentur für Arbeit unter [1] und stoße auf die sogenannte „Klassifikation der Berufe 2010“ [3], [4]. Dieses zweibändige Werk beschreibt alle Berufe, die im Jahr 2010 auf dem Markt existierten. Sie sind nach einem speziellen System geordnet, das ich im Anhang im Kapitel A auf Seite 395 näher erläutere.

Das Suchergebnis des Suchbegriffs Konstrukteur und Konstruktion ergibt über 100 Einträge; sehr lang.

Da es an dieser Stelle zu viele Nennungen wären, liste ich hier nur eine Auswahl auf. Das komplette Suchergebnis sowie die detaillierte Beschreibung der Klassifikation wird im Anhang im Kapitel A auf Seite 395 beschrieben. Ich zähle in Tabelle 5.1 auf Seite 42 interessante und potenzielle Begriffe auf10 und bewerte sie, ob sie als Begriff der neuen Berufsbezeichnung genannt werden können.

Die Bewertung in bereits genannter Tabelle 5.1 zeigt die Eignung als Beschreibung der Tätigkeit des maschinenbauseitigen Parts zur Entwicklung von elektronischen Geräten.

Die in der Tabelle mit „+“ bewerteten Berufe sind prinzipiell nutzbar als Begriff für diese Tätigkeit, obwohl sie dennoch Defizite in der Definition aufweisen. Ich sie hier mit einigen Worten beschreiben:

Beim Automatisierungskonstrukteur/in wird nicht das gesamte Produktspektrum erfasst, da beispielsweise Solarumrichter nicht in einer Automatisierungsumgebung zu finden sind.

Aus dem Begriff Leiterplattenkonstrukteur/in wird zwar deutlich, dass der Konstrukteur mit Leiterplatten zu tun hat, es führt aber nur zum Verständnis, dass Leiterplatten an sich konstruiert werden. Dies stellt lediglich ein Teilgebiet der beschriebenen Tätigkeit dar. Mit Leiterplatte ist begrifflich nur die faserverstärkte Platte mit integrierten Kupferbahnen und -schichten gemeint (↝ Kapitel 10 auf Seite 89). Es fehlt die Bestückung der Leiterplatte, aber auch die Aufgabe, Lösungen zu finden, um die Leiterplatte schützen, bedienen und entwärmen zu können.

Der Begriff Elektrokonstrukteur (-) ist nicht geeignet für das gesuchte Tätigkeitsfeld. Nach Zickert [90] wird in den Stellenausschreibungen vom Elektrokonstrukteur gesprochen, wenn es um Tätigkeiten geht, wie die Entwicklung und Planung der elektrischen Anschlusstechnik zum Beispiel von Lager-Logistikzentren. Es werden Schaltschrankkomponenten ausgewählt und die Anordnung im Schaltschrank in Zeichnungen dargestellt. Als Software-Werkzeug wird meistens EPLAN12 verwendet. Es muss auf die Ausführbarkeit, Montage und Funktionalität geachtet werden. Für die Montage der kompletten Hallenausrüstung sind desweiteren Stromlauf-, Klemmpläne,