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Projekt Digitale Schmiede – Eine Hilfsvorrichtung digital entwerfen

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Projekt Digitale Schmiede – Eine Hilfsvorrichtung digital entwerfen

Zielgruppe: Ausbildung Metalltechnik und Metallgestaltung. Umfang: Sieben kurze Lerneinheiten, rund 120 Minuten digitale Arbeit. Produkt: Ein fortlaufendes Projektdossier mit Skizzen, CAD-Modell, Simulation, Prüfdaten und begründeter Abgabe. Leitfrage: Wie kann eine Hilfsvorrichtung die Positionierung eines Werkstücks wiederholgenau machen, ohne neue Gefahren zu erzeugen? Sicherheitsgrenze: Alle selbstständigen Aktivitäten sind digital oder verwenden vollständig abgekühlte Übungsstücke. Heiße Werkstoffe, offenes Feuer, Funken, Abgase, Kohlenmonoxid und Brandgefahren erfordern spezifische Schutzmaßnahmen. Praktische Demonstrationen nur fachlich angeleitet; keine unbeaufsichtigten Versuche. Die hier entwickelte Positionierhilfe ist ausdrücklich nicht für heiße Werkstücke oder Schmiedehämmer vorgesehen.

Einleitung

Beim Schmieden wird Metall durch Umformen bearbeitet. Wiederholte Fertigungsschritte benötigen eindeutige Bezugspunkte. Mit CAD kannst Du eine Hilfsvorrichtung konstruieren, ihre Geometrie kontrollieren und Arbeitsschritte dokumentieren.

Bildfrage: Wo könnten bei wiederholten Arbeitsabläufen Positionsfehler auftreten?

Der Ausbildungsfall

Eine Werkstatt möchte zehn vollständig abgekühlte Flachstahlrohlinge an einem getrennten, kalten Anreiß- und Prüfplatz reproduzierbar einlegen. Du entwirfst eine Grundplatte mit Stirn- und Seitenanschlag.

Didaktische Vorgabe	Übungswert
Rohling	120 × 20 × 5 mm
Bezugslänge	35 mm von der Stirnkante
Zulässige Positionsabweichung	± 0,5 mm
Wiederholungen	Fünf Einlegevorgänge
Einsatzbereich	Ausschließlich vollständig kalte Übungsobjekte

Die Werte sind fiktive Ausbildungsannahmen, keine Normmaße, Sicherheitsnachweise oder Freigaben.

Vergleich: Warum erfüllt eine Schmiedezange andere Anforderungen als ein Anschlag am kalten Prüftisch?

Das fortlaufende Projektdossier

Abschnitt	Ergebnis	Prüffrage
D01	Anforderungen und Gefährdungsmatrix	Wo endet der sichere Einsatzbereich?
D02	Zwei eigene bemaßte Skizzen	Ist die Werkstücklage eindeutig?
D03	Bearbeitbares CAD-Modell und drei Ansichten	Sind Maße veränderbar?
D04	Kollisionsanalyse und Simulationsgrenzen	Was wurde tatsächlich geprüft?
D05	Messwerte und Berechnungen	Wie groß sind Lageabweichungen und Streuung?
D06	Verbesserung und Änderungsvermerk	Was wurde warum geändert?
D07	Zeichnung, Sicherheit und begründete Abgabe	Ist die Entscheidung nachvollziehbar?

Kennzeichne Simulationen, Messungen, Schätzungen und erfundene Übungsdaten getrennt.

Lerneinheit 1: Gefahren erkennen

10 Minuten. Beginne mit der Gefährdungsbeurteilung.

Gefahr	Schutzüberlegung
Heiße Werkstoffe und Werkzeuge	Kontakt und Verbrennungen verhindern, sichere Ablage und geeignete Handhabungswerkzeuge
Feuer, Funkenflug und Zündquellen	Brennbares Material schützen, Brandverhütung und Notfallmaßnahmen festlegen
Rauch, Abgase und Kohlenmonoxid	Geeignete Erfassung und Lüftung fachlich bewerten
Gasbetriebene Öfen	Gasversorgung, Flammensicherung und Wartung fachlich prüfen
Quetschen und Einklemmen	Bewegungsbereiche und Hände berücksichtigen
Lärm, Zunder, Partikel	Technische Schutzmaßnahmen und geeignete Schutzausrüstung

Grenze: Digitale Modelle ersetzen keine Unterweisung, Betriebsanweisung, Gefährdungsbeurteilung und betriebliche Freigabe. Keine Versuche mit heißen Werkstücken oder Feuer in Eigenregie. D01: Trage fünf Gefährdungen mit Folgen, Schutzmaßnahmen und Verantwortung in eine Matrix ein. Fachquelle: BGHM – Schmiedeessen und DGUV – Sicherer Betrieb von Gasschmiedeöfen.

Lerneinheit 2: Anforderungen skizzieren

12 Minuten. Eine Vorrichtung muss die Lage des Werkstücks über definierte Bezugsflächen und Anschläge bestimmen. Toleranz und Ergonomie beeinflussen die Qualität.

Fehler beim Erstellen des Vorschaubildes:

Zeichne einen festen Stirnanschlag.
Ergänze eine Seitenanlage.
Entwirf als Alternative einen verstellbaren Anschlag.
Markiere Bezugsmaß, Einlegeweg und mögliche Klemmstellen.

D02: Speichere zwei beschriftete Skizzen. Selbstcheck: Kann eine andere Person das vollständig kalte Werkstück eindeutig einlegen?

Lerneinheit 3: Parametrisch modellieren

18 Minuten. Die kostenlose Software FreeCAD bietet parametrische Skizzen und 3D-Modellierung.

Erstelle eine Grundplatte im Sketcher.
Extrudiere die Skizze in Part Design.
Modelliere Stirnanschlag und Seitenanschlag.
Stelle den Rohling separat dar.
Speichere ein bearbeitbares Modell und drei Ansichten.

Video: FreeCAD Part Design – die genaue Oberfläche hängt von der Programmversion ab.

D03: Ändere ein Bezugsmaß und dokumentiere die Wirkung. Feedback: Reagiert das Modell nicht wie beabsichtigt, prüfe Bindungen und Modellabhängigkeiten statt Maße durch Augenmaß zu verschieben.

Lerneinheit 4: Bewegungen simulieren

12 Minuten. Eine digitale Simulation zeigt Geometrie und mögliche Überschneidungen, beweist aber nicht automatisch sichere Belastbarkeit.

Simuliere den Einlegeweg des kalten Rohlings.
Identifiziere die Anlagekontakte.
Prüfe Bauteilüberschneidungen.
Vergleiche den Entnahmeweg bei zwei Modellvarianten.

D04: Zeige zwei Prüfsituationen mit Bildschirmbildern und notiere Annahmen. Feedback: Kollisionsfreiheit ist ein geometrisches Prüfergebnis, keine betriebliche Freigabe.

Lerneinheit 5: Belastungen und Grenzen

12 Minuten. Die Finite-Elemente-Methode kann Spannungen und Verformungen mit einem angemessenen Modell näherungsweise bestimmen.

Video: Einführung in die FEM-Arbeitsumgebung.

Überlege: Welche Materialkennwerte, tatsächlichen Kräfte, Lagerungen, Kontakte und Prüfungen des numerischen Modells wären erforderlich? D04: Halte Datenlücken und Unsicherheiten fest. Behaupte keine Tragfähigkeit aus einer beliebigen farbigen Simulation. Für heiße oder mechanisch beanspruchte Einsätze ist die Positionierhilfe nicht freigegeben.

Lerneinheit 6: Wiederholgenauigkeit messen

15 Minuten. Qualitätssicherung benötigt einen Sollwert, Prüfdaten und nachvollziehbare Messmethoden.

Fiktive Rechendaten: Diese fünf Werte wurden nicht real gemessen.

Versuch	Positionsmaß	Abweichung von 35,0 mm
A	34,8 mm	−0,2 mm
B	35,1 mm	+0,1 mm
C	35,0 mm	0,0 mm
D	34,9 mm	−0,1 mm
E	35,2 mm	+0,2 mm

Mittelwert: 35,0 mm. Spannweite: 35,2 mm − 34,8 mm = 0,4 mm. Alle Übungswerte liegen innerhalb des fiktiven Toleranzfensters von 34,5 bis 35,5 mm. Das ist kein realer Eignungsnachweis. Mittelwert, Wiederholstreuung und Messunsicherheit sind unterschiedliche Größen. D05: Berechne Abweichungen und Spannweite; vermerke die Datenherkunft. Reale Prüfungen dürfen nur mit freigegebenem Aufbau, kalten Werkstücken und vorgesehener fachlicher Anleitung erfolgen.

Lerneinheit 7: Verbessern und begründet abgeben

15 Minuten. Eine überprüfbare Konstruktion verbindet Technisches Zeichnen, Messdaten, Sicherheitsanalyse und Reflexion. Video: Technische Zeichnungen mit FreeCAD TechDraw.

Begründe die Entscheidung zwischen festem und verstellbarem Anschlag.
Erstelle eine bemaßte Zeichnung und sichere die bearbeitbare CAD-Datei.
Ergänze Kollisionsansichten und gegebenenfalls klar gekennzeichnete Simulationsergebnisse.
Werte die Prüfdaten aus und notiere mindestens eine Verbesserung.
Ergänze verbleibende Sicherheitsrisiken und die Einsatzbeschränkung.

D06/D07: Übergib das Dossier als digitalen Ausbildungsentwurf ohne Fertigungs- oder Betriebsfreigabe.

Gestufte Hilfen

Stufe	Konstruktion	Qualitätsprüfung
Hilfe 1 – Denkanstoß	Welche Fläche begrenzt die Längsbewegung?	Was unterscheidet Soll- und Istmaß?
Hilfe 2 – Struktur	Trenne Grundplatte, Stirn- und Seitenanschlag.	Untersuche Anlage, Einlegen und Entnehmen getrennt.
Hilfe 3 – Vorgehenshilfe	Zeichne zuerst zwei rechtwinklige Anlagen und prüfe ihre Funktion.	Notiere fünf Istmaße, bilde die Abweichungen und subtrahiere den kleinsten vom größten Wert.

Arbeitsregel: Verwende zunächst die erste Stufe und halte in D06 fest, welche Hilfen Deine Entscheidung beeinflusst haben.

Basis-, Anwendungs- und Transferaufgaben mit Feedback

Niveau	Aufgabe	Begründetes Feedback
Basis	Beschreibe zwei Schmiedegefahren.	Hitze kann Verbrennungen verursachen; Rauchgase gefährden die Atemluft. Beide benötigen unterschiedliche Schutzmaßnahmen.
Basis	Erkläre einen Stirnanschlag.	Er gibt eine reproduzierbare Längsposition statt bloßer Ausrichtung nach Augenmaß vor.
Basis	Erkläre parametrische Maße.	Maßänderungen werden kontrollierbar und Abhängigkeiten des Modells sichtbar.
Anwendung	Zeichne zwei Anlagen für ein kaltes Werkstück.	Die Flächen definieren Bezugslagen; weitere Freiheitsgrade müssen geprüft werden.
Anwendung	Vergleiche zwei Einlegewege.	Der kollisionsfreie Weg ist geometrisch günstig, sagt aber nichts über Festigkeit aus.
Anwendung	Berechne die Spannweite der Übungsdaten.	0,4 mm; sie ist nicht gleich der Messunsicherheit.
Transfer	Plane eine verstellbare Ausführung.	Zusätzliche Flexibilität braucht reproduzierbare Einstellung und Verdrehsicherung.
Transfer	Bewerte eine FEM ohne Werkstoffdaten.	Fehlende Materialkennwerte verhindern einen belastbaren Festigkeitsnachweis.
Transfer	Beurteile die Betriebsreife des CAD-Modells.	Erst dokumentierte fachliche Prüfungen und eine betriebliche Freigabe ermöglichen einen realen Einsatz.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welches Ziel hat die Positionierhilfe? (Die wiederholbare Lagebestimmung eines Werkstücks) (!Die automatische Veränderung der Werkstoffhärte) (!Die Erhöhung der Schmiedetemperatur) (!Die vollständige Vermeidung aller Messfehler)

Was ist beim Umgang mit heißen Werkstücken zwingend? (Festgelegte Schutzmaßnahmen und geeignete Handhabungswerkzeuge) (!Eine ungeprüfte CAD-Vorrichtung) (!Berühren zur Temperaturkontrolle) (!Unbeaufsichtigtes Ablegen auf brennbarem Material)

Wozu dient ein Anschlag? (Er legt eine definierte Bezugslage fest) (!Er ermittelt die Werkstoffhärte) (!Er kühlt Werkstücke selbstständig ab) (!Er ersetzt jede Maßkontrolle)

Was beschreibt eine Toleranz? (Die zulässige Abweichung von einer Vorgabe) (!Die Farbe einer CAD-Fläche) (!Die Anzahl der Werkzeuge) (!Die Speichergeschwindigkeit)

Wozu dienen parametrische Maße? (Sie bestimmen geometrische Modellabmessungen) (!Sie ersetzen die Gefährdungsbeurteilung) (!Sie garantieren reale Festigkeit) (!Sie verhindern jeden Fehler)

Was untersucht eine Kollisionsprüfung? (Unzulässige räumliche Überschneidungen) (!Die Farbe glühender Werkstücke) (!Die Wirtschaftlichkeit der gesamten Fertigung) (!Die rechtliche Freigabe)

Was benötigt eine aussagekräftige FEM? (Geeignete Materialkennwerte und Randbedingungen) (!Nur eine farbige Bildschirmansicht) (!Nur einen Modellnamen) (!Nur einen beliebigen Werkstoff)

Was bedeutet eine kleine Spannweite? (Die ermittelten Messwerte liegen nah beieinander) (!Alle Messwerte sind zwingend richtig) (!Die Messunsicherheit beträgt null) (!Alle Sicherheitsfragen sind geklärt)

Was gehört zu nachvollziehbaren Prüfdaten? (Messmethode und Herkunft der Messwerte) (!Eine erfundene Prüfbescheinigung) (!Eine unbegründete Schätzung) (!Eine nicht dokumentierte Freigabe)

Wann ist ein realer Praxiseinsatz erlaubt? (Nach erforderlichen fachlichen Prüfungen und Freigaben) (!Unmittelbar nach dem CAD-Entwurf) (!Sobald die Simulation bunt erscheint) (!Bei unbeaufsichtigten Auszubildendenversuchen)

Memory

Anschlag	Definierte Anlageposition
Toleranz	Zulässige Maßabweichung
Sketcher	Parametrisches Skizzieren
Kollision	Räumliche Überschneidung
Spannweite	Differenz der Extremwerte
Gefährdungsbeurteilung	Systematische Risikobewertung
Projektdossier	Fortlaufende Entwicklungsdokumentation

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Gefährdungsmatrix	Sicherheitsanalyse
Entwurfsskizze	Ideenentwicklung
Dreidimensionales Modell	CAD-Konstruktion
Kollisionsbericht	Funktionsprüfung
Messprotokoll	Qualitätssicherung
Änderungsnachweis	Konstruktionsverbesserung

Kreuzworträtsel

Anschlag	Welches Bauteil bestimmt eine definierte Anlageposition?
Toleranz	Wie heißt der zulässige Abweichungsbereich eines Maßes?
Skizze	Wie heißt die zeichnerische Darstellung einer Entwurfsidee?
Kollision	Wie heißt die unerwünschte Überschneidung von Bauteilen?
Messschieber	Welches Handmessgerät dient häufig zur Längenmessung?
Brandschutz	Welcher Schutzbereich befasst sich mit der Brandverhütung?

LearningApps

Lückentext

Metall wird in der Schmiede durch

bearbeitet.

Eine Hilfe zur reproduzierbaren Positionierung heißt

.

Eine definierte Anlage wird durch einen

hergestellt.

Die zulässige Maßabweichung heißt

.

Eine erste Konstruktionsidee wird als

dargestellt.

FreeCAD ermöglicht die Erstellung eines parametrischen

.

Unerwünschte Überschneidungen werden in einer

untersucht.

Spannungen können mithilfe der

näherungsweise berechnet werden.

Die Differenz zwischen größtem und kleinstem Messwert heißt

.

Die systematische Untersuchung von Arbeitsrisiken heißt

.

Die Entwicklungsdokumentation heißt

.

Ein realer Einsatz benötigt die erforderliche betriebliche

.

Offene Aufgaben

Leicht

Arbeitssicherheit: Erstelle eine Collage zu Hitze, Feuer, Abgasen und Brandgefahr und erläutere geeignete Schutzüberlegungen.
Technisches Zeichnen: Skizziere eine Positionierhilfe für das kalte Übungswerkstück.
CAD: Modelliere eine Grundplatte mit festgelegten Abmessungen.
Messtechnik: Zeichne eine Messanordnung für die Positionskontrolle und erkläre Fehlerquellen.

Standard

Konstruktionslehre: Vergleiche einen festen und einen beweglichen Anschlag.
3D-Modellierung: Modelliere Grundplatte, Stirnanschlag und Seitenanlage.
Simulation: Prüfe digital Einlegeweg und Entnahmeweg in zwei Varianten.
Qualitätssicherung: Stelle die fünf Übungsabweichungen als Diagramm dar und erläutere die Spannweite.

Schwer

Produktentwicklung: Entwickle eine verstellbare Positionierhilfe für unterschiedliche kalte Rohlinge.
Finite-Elemente-Methode: Entwirf ein Konzept zur rechnerischen Prüfung und liste fehlende Eingangsdaten auf.
Gefährdungsbeurteilung: Führe eine simulierte Sicherheitsbesprechung durch und begründe das Verbot eigenständiger Versuche mit heißen Werkstoffen.
Technische Dokumentation: Präsentiere Dein gesamtes Dossier mit Skizzen, Modell, Prüfwerten, Verbesserungen und begründeter Eigenentscheidung.

Lernkontrolle

Wiederholgenauigkeit: Zwei Vorrichtungen zeigen denselben Mittelwert, aber verschiedene Spannweiten. Bewerte den Unterschied.
Konstruktionsentscheidung: Beurteile, wann ein verstellbarer Anschlag sinnvoller als ein fester ist.
Arbeitsschutz: Ein Auszubildender will die Hilfsvorrichtung an der heißen Esse ausprobieren. Begründe die erforderlichen Schutz- und Freigabeschritte.
Simulation: Erkläre, warum ein FEM-Farbbild ohne bekannte Lasten keinen Festigkeitsnachweis ergibt.
Messunsicherheit: Ein Messwert liegt außerhalb der Toleranz. Entwickle einen Prüfplan zur Ursachenklärung.
Produktoptimierung: Ein Werkstück klemmt beim Entnehmen. Entwickle eine konstruktive Alternative.
Digitale Transformation: Erläutere, wie das Projektdossier den Austausch zwischen Konstruktion und Qualitätssicherung unterstützt.

Lernnachweis

Abgabe: Ein eigenes, verständliches Projektdossier. Entscheidend sind dokumentierte Entscheidungen, überprüfbare Ergebnisse und verantwortlicher Umgang mit Risiken.

Nachweis	Anforderung
D01	Funktion, Grenzen und Gefährdungsmatrix
D02	Zwei eigene Skizzen mit Bezugsmaßen
D03	Bearbeitbare CAD-Datei und bemaßte Ansichten
D04	Simulationsansichten, Annahmen und Grenzen
D05	Prüftabelle, Rechenweg und Datenherkunft
D06	Dokumentierte Verbesserung
D07	Begründete Entscheidung und Sicherheitsbewertung

Bewertung: Sicherheit, Funktion, technische Stimmigkeit, Nachvollziehbarkeit, Eigenleistung und Reflexion. Eine gute Abgabe unterscheidet Simulation, reale Prüfung und fiktive Übungswerte. Ein digitales Dossier ist keine Betriebserlaubnis.

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Fachlich geprüfte Quellen

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Medienquellen und Rechte

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Videos: FreeCAD Part Design, FreeCAD FEM und FreeCAD TechDraw. YouTube-Einbettung bedeutet keine freie Nachnutzbarkeit der Videos. Die Medien illustrieren Lerninhalte und belegen keine Sicherheit der konkreten Vorrichtung.