Berufsfeldorientierungsmodul/Vertiefungsmodul LEICHTBAU 1 , Leichtbau VU, Leichtbau LU

Umgesetztes Projekt

Ziele

Mit dem Ruf von O.Univ.-Prof. DI Dr. Franz Rammerstorfer (nunmehr Emeritus) an die TU-Wien als Professor für Leichtbau und Flugzeugbau im Jahr 1983, begann der Entwicklungsprozess der Lehrveranstaltungen im Fach Leichtbau, der zur heutigen Form des Berufsfeldorientierungsmoduls bzw. des Vertiefungsmoduls Leichtbau 1 führte.

Neben Prof. Rammerstorfer waren etliche Generationen von Assistentinnen und Assistenten sowie Techniker daran beteiligt, die Qualität der Lehrveranstaltungen laufend zu verbessern und neueste Technologien einzusetzen.

Das Motiv für die Entwicklung des Lehrkonzepts war, den Lehrstoff, der vorwiegend Konstruktionsprinzipien und Rechenmethoden beinhaltet, didaktisch so aufzubereiten, dass es gelingt, Studierende zum Staunen zu bringen, sie zu faszinieren, sie aber auch für dessen Relevanz zu sensibilisieren. Wichtige Faktoren sind dabei die Verbindung von Theorie und praktischer Anwendung sowie die Bewusstseinsbildung für die Dringlichkeit des Leichtbaus in allen Gebieten des Maschinenbaus.

Ziel des Lehrveranstaltungskonzeptes ist es, den Studierenden den komplexen Lehrstoff des Leichtbaus anwendungs- und praxisbezogen, aber auch durch "learning by doing", zu vermitteln.

Kurzzusammenfassung (dt.)

Das Berufsfeldorientierungsmodul/Vertiefungsmodul Leichtbau 1 besteht aus einer Vorlesungsübung und einer Laborübung. Der Vorlesungsteil ist darauf fokussiert, parallel zur Vorstellung der Konstruktionsprinzipien und Rechenmethoden, den Studierenden zu vermitteln, warum dieses Wissen heutzutage unverzichtbar ist und wo diese Leichtbauprinzipien zum Einsatz kommen. Dabei sind neben Bildmaterial u.a. Anschauungsobjekte, Experimente, sowie Filmsequenzen im Einsatz, und Exkursionen zu einschlägigen Firmen werden durchgeführt. Im Übungsteil wird zu Beginn das für den Einstieg in das Fachgebiet benötigte Grundlagenwissen aufgefrischt. Danach werden die Rechenmethoden an praxisrelevanten Beispielen geübt. In einem interaktiven Lehrvortrag werden die Studierenden durch Fragen animiert, zur Auffindung des Lösungswegs beizutragen. Zusätzlich werden zum aktuellen Stoff Aufgaben ausgegeben, deren Lösungen mit den Studierenden diskutiert werden. In der Laborübung wird das in der Vorlesungsübung erworbene Wissen praktisch angewandt. Studierenden in Kleingruppen wird, ähnlich einem Szenario in ihrem späteren Berufsleben, die Aufgabe gestellt, in Teamarbeit einen Leichtbauträger zu konstruieren und zu berechnen. Dieser wird danach im Labor von den Studierenden selbst gefertigt und in einem Belastungstest hinsichtlich seiner Leichtbauqualitäten evaluiert. Ein Wettbewerb unter den Teams, den besten Leichtbauträger zu entwerfen, hat sich als sehr motivationsfördernd erwiesen.

Kurzzusammenfassung (engl.)

The Berufsfeldorientierungsmodul/Vertiefungsmodul Lightweight Structures 1 consists of a combined lecture and tutorial as well as a lab. In parallel with the presentation of the lightweight design principles and calculation methods, the lecture part is focused on teaching the students why this knowledge is indispensable today and where these lightweight construction principles are applied. Besides images, real samples, experiments, as well as film sequences are in use and excursions to relevant companies are organized.

In the tutorial part of the course, the required basic knowledge is refreshed first. Subsequently, the calculation methods are applied to on practice-relevant examples. In an interactive lecture, students are encouraged by questions to help in finding solutions. In addition, exercises on the current contents are handed out, the solutions of which are discussed with the students in the following lecture.

In the lab, the knowledge acquired in the lecture and tutorial is practically applied. Similar to a scenario in their future work life, small groups of students are given the task of constructing and calculating a lightweight cantilever in teamwork. This lightweight component is then manufactured in the laboratory by the students themselves, and evaluated in a loading test in terms of its lightweight design qualities. A competition among the teams to design the best pertinent lightweight structure has proven to be very motivating.

 

Nähere Beschreibung

Das Berufsfeldorientierungsmodul/Vertiefungsmodul Leichtbau 1 wird derzeit im Curriculum des Bachelorstudiums /Masterstudiums Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen-Maschinenbau sowie im Masterstudium Materialwissenschaften angeboten. Es besteht aus einer Vorlesungsübung und einer Laborübung.

Das Grundkonzept der Lehrveranstaltungen basiert darauf, den komplexen Stoff des Leichtbaus den Studierenden anwendungs- und praxisbezogen zu vermitteln. Zusätzlich soll anhand einer gestellten Konstruktionsaufgabe den Studierenden ein Einblick in praxisnahes Arbeiten gegeben und die Freude am eigenen Gestalten gefördert werden.

Der Vorlesungsteil basiert auf einem strukturierten, kompetenzorientierten Konzept. Die ersten zwei Vorlesungen werden dazu genutzt, den Studierenden an Hand von vorgestellten Einsatzbereichen und Anwendungsbeispielen einerseits die Vielfalt von Leichtbaukonstruktionen aufzuzeigen und andererseits die Dringlichkeit des Einsatzes von Leichtbaustrukturen in Hinblick auf Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit bewusst zu machen. Danach werden die wichtigsten Leichtbaukonstruktionsprinzipien und Rechenmethoden vorgestellt. Diese werden an Bildern aber vor allem durch die Verwendung von Anschauungsobjekten (z.B. Raumfahrt- und Flugzeugbauteile) einprägsam erklärt. Durch das „in den Händen Halten“ dieser Bauteile kann der Faktor „Gewicht“ begreiflich gemacht werden. Ebenso beliebt sind Experimente, in denen spezifische leichtbaurelevante Themen, wie z.B. der Stabilitätsverlust, veranschaulicht werden. Hierzu wurden handliche Testvorrichtungen konzipiert und gefertigt, mit denen die Tests in den Vorlesungen „live“ durchgeführt werden und unter Verwendung von Videokameras auf die Leinwand projiziert werden. Zum besseren Verständnis spezieller Leichtbaukonstruktionsprinzipien führen Studierende auch aktiv und selbstständig einfache Experimente durch. Das Staunen über die Effektivität von gezielten Leichtbaumaßnahmen, z.B. zur Erhöhung der Steifigkeit, ist dabei nicht übersehbar. Weiters dienen Filmsequenzen, die im Rahmen von Forschungsarbeiten am Institut aufgenommen wurden oder im Internet zur Verfügung stehen, dazu, Leichtbaueffekte besser zu verstehen. Bei all diesen praktischen Demonstrationen kommen die Formeln nicht zu kurz. Wichtige Herleitungen bzw. Rechengänge, die für das Verständnis maßgebend sind, werden an der Tafel Schritt für Schritt mit den Studierenden erarbeitet. Zusätzlich beinhaltet der Vorlesungsteil eine große Anzahl von Beispielen, an denen die Anwendung der Rechenmethoden während der Lehrveranstaltung besprochen wird. Ein wesentlicher Bestandteil des Lehrkonzeptes des Vorlesungsteils ist der Dialog mit den Studierenden, sowohl bei der Erarbeitung des neuen Stoffes als auch bei der Wiederholung des Stoffes der vorangegangenen Vorlesung. Der kurze interaktive Rückblick zu Beginn jeder Lehrveranstaltung soll den Studierenden die Möglichkeit geben, sich an den zuletzt erarbeiteten Stoff zu erinnern bzw. nach Versäumen einer Vorlesung unterschiedliches Vorwissen auszugleichen.

Im Übungsteil der Vorlesungsübung wird die Anwendung der Rechenmethoden vertieft. Er ist bezüglich des Inhalts mit dem Vorlesungsteil zeitlich abgestimmt. Eine wesentliche Grundlage, auf der die Rechenmethoden des Leichtbaus aufbauen, ist die Mechanik. Da die Tiefe dieses Vorwissens von der Bildungsbiographie der Studierenden abhängt und sehr unterschiedlich sein kann, werden vor Beginn der ersten Leichtbau-Übung zwei Lehrveranstaltungen mit dem Titel „Grundlagenauffrischung“ abgehalten. Ihr Ziel ist es, mit den Studierenden die vorausgesetzten Grundkenntnisse zu wiederholen, um so für alle die gleiche Ausgangsbasis zu schaffen. Danach werden die Rechenmethoden des Leichtbaus an praxisrelevanten Beispielen geübt. Durch Fragen an die Hörerschaft werden Studierende animiert, zur Auffindung des Lösungsweges aktiv beizutragen. Zusätzlich werden wöchentlich zum aktuellen Lehrstoffen Aufgaben ausgegeben, deren Lösungswege in der darauffolgenden Übungseinheit mit den Studierenden diskutiert werden. Durch dieses Angebot werden die Studentinnen und Studenten zum Mitlernen des Stoffes motiviert.

Die Beurteilung der Vorlesungsübung erfolgt über die Bewertung von Teilleistungen. Im Übungsteil werden im Rahmen von zwei schriftlichen Kolloquien Aufgaben zur praktischen Anwendung des Stoffes gestellt. Das kompetenzorientierte Lehrkonzept wird dabei nicht nur im Praxisbezug der Aufgabenstellungen, sondern auch in den Prüfungsmodalitäten umgesetzt, da die Studierenden bei den Kolloquien eigene Mitschriften und Papierausdrucke der Skripten sowie gedruckte Literatur verwenden dürfen. Damit stützt sich die Bewertung nicht auf ein nur auswendig gelerntes Wissen von Formeln, sondern auf die Kompetenz, die Rechenmethoden des Leichtbaus praktisch anwenden zu können. Werden Kolloquium versäumt oder negativ beurteilt, haben die Studierenden die Möglichkeit zu den entsprechenden Ersatzkolloquien anzutreten. Erst nach einer positiven Beurteilung des Übungsteils können die Studierenden zur theoretischen Prüfung des Vorlesungsteils antreten. Diese wird von Prof. Rammerstorfer mündlich abgehalten, mit dem Ziel, in einem persönlichen Gespräch mit dem Studierenden dessen Kompetenz hinsichtlich der Lösung praxisnaher Fragestellungen zu bewerten. Die Gesamtnote zur Vorlesungsübung wird nach positivem Abschluss des Prüfungsgesprächs festgelegt. (Seit Jänner 2019 wird der theoretische Prüfungsteil für neu zugegangene Studierende, aufgrund der Vakanz des Lehrstuhls, schriftlich geprüft.)

Im Rahmen der Laborübung können Studierende das in der Vorlesungsübung erlangte Wissen praktisch anwenden. Dabei wird Kleingruppen aus drei bis vier Studentinnen und Studenten die Aufgabe gestellt, das Projekt eines vereinfachten Leichtbauträgers zu bearbeiten. Derartige Trägerkonstruktionen kommen z.B. im Fahrwerksbereich eines Kleinflugzeugs zum Einsatz. Jedes Team erhält ein Pflichtenheft, das als Grundlage für die Konstruktion und Berechnung dient. Da dieser Träger in weiterer Folge von der Kleingruppe selbst im Labor gefertigt wird, ist neben der Konstruktionszeichnung und dem Festigkeitsnachweis auch ein genauer Arbeitsplan für die Fertigung zu erstellen. Für Fragen zur Realisierbarkeit der Konstruktion und zur Herstellung des Bauteils steht den Studierenden der sehr erfahrene Labortechniker des Instituts zur Verfügung. Abschließend wird der Träger einem Belastungstest unterzogen, um ihn hinsichtlich seiner Leichtbauqualitäten zu evaluieren. Für die dabei durchgeführten Messungen wird vorher in zwei Übungseinheiten ein Messsystem auf dem Träger appliziert, und die Studierenden werden in das Messprogramm eingeschult. Beim Belastungstest wird überprüft, ob die Konstruktion der geforderten Belastung standhält und, wenn ja, wie hoch die maximale Belastung ist, bei der erstmals Versagen auftritt. Das Gewicht der Konstruktion spielt bei der Evaluierung natürlich auch eine entscheidende Rolle. Um die Teams zusätzlichen zu motivieren, wird im Rahmen eines Wettbewerbs jenes Team prämiert, dessen Träger bei ausreichender Festigkeit und Steifigkeit das geringste Gewicht aufweist. Um mit dieser Laborübung ein Szenario, wie es im späteren Berufsleben der Teilnehmerinnen und Teilnehmer auftreten könnte, zu imitieren, werden zur Beurteilung neben den Protokollen zur Konstruktion, Berechnung, Arbeitsvorbereitung, Fertigung und zum Belastungstest auch das Engagement sowie die Qualität der Teamarbeit miteinbezogen. Durch die Anwendung von Leichtbaukonstruktionsprinzipen und Leichtbaurechenmethoden in Kombination mit Elementen der Konstruktionslehre, der Arbeitsvorbereitung, der Fertigungstechnik und der Messtechnik werden im Rahmen dieser Laborübung fachübergreifende Kompetenzen und Qualifikationen gefördert.[https://www.ilsb.tuwien.ac.at/ilsb/de/Leichtbau-1-Bildgalerie]

Für die Studierenden der beschriebenen Lehrveranstaltungen werden auch regelmäßig Exkursionen zu einschlägigen Firmen im Inland und im Ausland von Mitgliedern des Instituts organisiert. In den letzten Jahren wurden folgende Firmen besucht:

FACC AG [https://www.facc.com/] (Oberösterreich), KTM_Technologies GmbH [http://www.ktm-technologies.com/] (Salzburg), Mubea Carbo Tech GmbH [http://www.carbotech.at/] (Salzburg), Peak Technology GmbH [https://www.peaktechnology.at/de/] (Oberösterreich), Diamond Aircraft Industries GmbH [https://www.diamondaircraft.com/de/](Niederösterreich), SGL Group SE [http://www.sglgroup.de] (Deutschland), IABGmbH [https://www.iabg.de/] (Deutschland), Space Expo Noordwijk [https://www.space-expo.nl/de/] (Niederlande), ESTEC/ESA [https://www.esa.int/About_Us/ESTEC] (Niederlande), EADS-Dutch-Space [https://www.airbusdefenceandspacenetherlands.nl/] (Niederlande), ….

Mit diesen Veranstaltungen wird den Studierenden ein Einblick in die Produktion und die Arbeitsfelder namhafter Firmen der Luft- und Raumfahrttechnik geboten. Für die Exkursionsteilnehmerinnen und -teilnehmer ist es faszinierend, genau jenen Leichtbaukonstruktionsprinzipien in Realität zu begegnen, die sie in der Vorlesung bereits kennengelernt haben. Da ihnen dazu noch meist Informationen und Erfahrungen aus der Praxis vermittelt werden, können Studierende von diesen Veranstaltungen sehr profitieren. Außerdem wird durch den Firmenbesuch auch ein erster Kontakt hergestellt, der für Praktikumsplätze oder Anstellungen nach dem Studium äußerst wertvoll sein kann.

Dass das Berufsfeldorientierungsmodul/Vertiefungsmodul Leichtbau 1 Studierende für das Fachgebiet des Leichtbaus begeistert, bestätigt auch die rege Mitarbeit der Modul-Absolventinnen und -absolventen sowohl beim TUW – Racing Team [http://racing.tuwien.ac.at/], als auch beim TUW-Space Team [https://spaceteam.at/]. Beide Teams sind fakultätsübergreifend und stehen in regelmäßigem, engem Kontakt mit dem Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik. Die Zusammenarbeit reicht von fachlichen Diskussionen, der Betreuung von diesen Aktivitäten zugeordneten Masterarbeiten, der Entwicklung und Herstellung von Spezialkomponenten bis zur Tätigkeit als Punkterichterin beim Formula Student Austria Event [https://fsaustria.at/] am Red Bull Ring in Spielberg.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Berufsfeldorientierungsmodul/Vertiefungsmodul Leichtbau 1 durch das kompetenzorientierte Konzept der Lehrveranstaltungen, die Förderung von fachübergreifenden Kompetenzen, die Berücksichtigung unterschiedlicher Bildungsbiografien sowie den steten Bezug zur Praxis und den Kontakt zur Industrie die festgelegten Kriterien 2019 für den Staatspreis Ars Docendi in hohem Maße erfüllt.

 

Positionierung des Lehrangebots

Bachelorstudium: Maschinenbau/ Wirtschaftsingenieurwesen-Maschinenbau -- Berufsfeldorientierungsmodul Masterstudium: Maschinenbau/ Wirtschaftsingenieurwesen-Maschinenbau/Materialwissenschaften -- Vertiefungsmodul

Das Beispiel wurde für den Ars Docendi Staatspreis für exzellente Lehre 2019 nominiert.