Due to its economic importance engineering design as a creative design problem solving has been the research subject of psychologists and design engineers for several years. Observations of designer's thinking and action processes show that especially in the early stages of the design process, in which requirements are clarified and ideas are developed, generating solutions is largely associated with the use of simple external representations such as sketches and material (physical) models. In the represented thesis the use and functions of such external aids were investigated at first with a questionnaire study consulting designers (N = 106) of different industries. The results demonstrate the dominance of sketches as well as the increasing use of CAD already in the early stages of product development. In contrast models are applied to a lesser extent. Thereby simple external aids are not only used as memory-relieving external information storages, but do also support solution development and testing, serve as an analysis aid and contribute helpfully to documentation and communication. Further in an experimental study the use and functions of sketching and manual modelling applied by engineering students and designers (N = 61) while working on two design problems of different complexity with free choice of the support form were analysed. The results verify the essential importance of sketching for the design process, since almost all subjects used sketches to deal with the two design problems, while material models were hardly applied. Again the sketches fulfil different functions, so besides documentation they mainly support solution development. These statement based findings that sketches in addition to their function as external storages for memory relief serve also as thinking aids, thus support the generating and further developing of solution concepts, could be confirmed by observation data based on the analysis of the individual design processes. Finally recommendations for the design of new and advanced computer-assisted design aids could be given. / Das Konstruieren als schöpferisch-entwerfendes Problemlösen (design problem solving) ist aufgrund seiner wirtschaftlichen Bedeutung seit längerem Gegenstand der Forschung von Psychologen und Konstruktionswissenschaftlern. Beobachtungen des Vorgehens des Konstrukteurs zeigen, daß insbesondere in den frühen Phasen des konstruktiven Entwurfsprozesses, in denen Anforderungen geklärt und Ideen generiert werden, die Lösungsentwicklung in hohem Maße durch einfache externe Hilfsmittel, wie Skizzen und gegenständliche Modelle, unterstützt wird. In der dargestellten Dissertation wurde Einsatz und Nutzen dieser Hilfsmittel zunächst anhand einer Befragung von Konstrukteuren (N = 106) verschiedener Branchen untersucht. Die Ergebnisse belegen die Dominanz von Skizzen sowie die Zunahme der Nutzung von CAD bereits in den frühen Phasen der Produktentwicklung. Modelle finden dagegen weniger häufig Verwendung. Einfache externe Hilfsmittel werden dabei nicht nur als gedächtnisentlastende externe Speicher eingesetzt, sondern unterstützen ebenso die Lösungsentwicklung und -überprüfung, dienen als Analysehilfe und tragen hilfreich zur Dokumentation und Kommunikation bei. Weiterhin wurde in einer experimentellen Studie der Einsatz und die Funktionen des Skizzierens und manuellen Modellierens bei der Bearbeitung zweier Konstruktionsprobleme unterschiedlicher Komplexität durch Maschinenbaustudenten und Konstrukteure (N = 61) bei freier Wahl der Unterstützungsform näher untersucht. Die Ergebnisse verifizieren die essentielle Bedeutung des Skizzierens für den konstruktiven Entwurfsprozeß, da nahezu alle Probanden die beiden Konstruktionsprobleme von Anfang an skizzierend bearbeiteten, während einfache Modelle so gut wie gar nicht eingesetzt wurden. Die Skizzen erfüllten wiederum verschiedene Funktionen, neben der Dokumentation wurden sie v.a. zur Lösungsentwicklung verwendet. Dabei konnten diese auf Aussagen beruhenden Erkenntnisse, daß Skizzen neben der Gedächtnisentlastung auch eine Denkhilfe bieten, durch aus der Analyse der Entwurfsprozesse gewonnene Beobachtungsdaten bestätigt werden. Abschließend wurden Gestaltungsempfehlungen für die Neu- und Weiterentwicklung computergestützter Hilfsmittel des konstruktiven Entwurfsprozesses formuliert.

Vor dem Hintergrund empirischer Befunde zur Nutzung von CAD-Systemen beim konstruktiven Entwerfen in der Ausbildung sowie der Berufspraxis wird in der vorliegenden Arbeit über eine Befragungsstudie sowie eine laborexperimentelle Studie zur Bewertung des Unterstützungspotentials verschiedenartiger Arbeitsmittel in den frühen Phasen des Entwerfens von technischen Gebilden berichtet. Zu den beim Entwerfen eingesetzten Arbeitsmitteln zählen neben einfachen, aufwandsarmen Werkzeugen wie Papier und Bleistift auch computerisierte Automaten wie z. B. CAD-Systeme. CAD-Systeme sind durch die bereitgestellten Funktionalitäten heutzutage ein wesentliches Arbeitsmittel für den Konstrukteur; die für die außerordentlich komplexen, kostenbestimmenden frühen Entwurfsphasen wichtigen Funktionen werden aber offenbar nur in unzureichendem Maße oder überhaupt nicht zur Verfügung gestellt. Dadurch notwendige Wechsel zwischen analogen und digitalen Arbeitsmitteln müssen bislang manuell durchgeführt werden und haben neben zeitlichen Einbußen in der Regel Fehler und Informationsverluste bei der Übertragung zur Folge. Mit dem LCD-Monitor mit integriertem Graphiktablett WACOM Cintiq 15X, dessen Bedienung sich an den Eigenschaften herkömmlicher Handskizzen orientiert, wird eine durchgängige Nutzung von CAD-Systemen angestrebt. Zunächst wurden diese drei Arbeitsmittel hinsichtlich Ihrer Anforderungen an den Nutzer bei einem Einsatz in den frühen Entwurfsphasen aus tätigkeitspsychologischer Sicht analysiert. In der experimentellen Hauptuntersuchung bearbeiteten drei Versuchsgruppen einer Stichprobe von 66 Studierenden einer ingenieurtechnischen Fakultät dasselbe wissensreiche, praxisnahe Entwurfsproblem unter den experimentellen Bedingungen der Entwurfsentwicklung durch Freihandskizzieren mit Papier und Bleistift, mit digitalem Graphiktablett oder mit Hilfe des Rechnerprogramms AutoCAD. Es erfolgte eine differenzierte Betrachtung des Einflusses dieser verschiedenartigen Arbeitsmittel auf unterschiedliche Variablen der Bereiche ?Ergebnisse?, ?Erleben? und ?Prozess?. Im Ergebnis der Analysen konnte weitestgehend hypothesenkonform gezeigt werden, dass Freihandskizzieren - unabhängig vom Arbeitsmittel - dem Entwerfen mittels CAD in allen betrachteten effektivitäts- und effizienzbestimmenden Kriterien überlegen war. Prozessorientierte Analysen des äußeren Handlungsablaufes sowie handlungsbegleitender mentaler Prozesse gaben erste Hinweise auf mögliche Ursachen dieser Befunde aus handlungspsychologischer Sicht. Dazu war eine Untersuchungsmethodik entwickelt worden, die es erlaubt, begründet auf den ?inneren Verlauf? des Entwerfens zu schließen. Die Ergebnisse konnten in einem weiteren Schritt an einer Problemstellung mit vergleichbarem Schwierigkeitsgrad weitgehend repliziert werden. Aus den Analysen und Resultaten wurden Schlussfolgerungen für die Konstruktionsausbildung und die Gestaltung digitaler Unterstützungssysteme abgeleitet. / Due to its economic importance, engineering design as a demanding and complex problem-solving activity has been the subject of interdisciplinary research of both psychologists and design scientists for several years. In particular, the early stages of problem clarification and conceptual design are of significant interest. The design process can be supported in several different ways, e. g. with simple low-expenditure sketches. Today, high-performance digital tools (e. g. CAD) have become indispensable in product development. But their characteristics hypothetically result in an additional workload of mental capacity and hinder the full and correct establishment of necessary mental problem representations. So design engineers often combine sketches and CAD. In order to avoid a loss of time and information when switching between the different media, the functions of sketches should be implemented into CAD. An approach to realise this is the interactive pen display WACOM Cintiq 15X, which claims to have the same characteristics as paper & pencil together with differing kinds of computer functionalities. Its effectiveness and efficiency has not yet been investigated. This study focuses on the comparison of the three media ?paper & pencil?, ?pen display? and ?AutoCAD? in the early stages of the design process. On the basis of the psychological demands on the user, support potential was analysed by recording variables concerning the results, the subjective experience and the process. The sample was composed of 66 students of the mechanical engineering graduate program at the Dresden University of Technology. Random sampling resulted in three subsamples of 22 subjects each. The research was carried out in a laboratory experimental study, where people work alone on a given design scenario. No significant differences could be found between the two groups designing by freehandsketching with paper & pencil and with pen display. This speaks well for comparable demands of these two media on the user. Subjects who designed with AutoCAD produced solutions with a significant lower quality and communication of the technical information content. They needed significantly more time to develop the solution. These results can be regarded as evidence of the hypothetically discussed demands on the user: current CAD-systems do not take cognitive abilities and limitations into consideration sufficiently as well as ways of intuitive and effort-saving externalisation. Results could be replicated extensively in a study with a design problem of equally difficult requirement structure. Finally, hints for education of engineering design students and essential requirements for digital support tools in the early stages of the design process were derived.

Die vorliegende Arbeit untersucht die Anwendung des Groupware Systems cAR/PE!, das auf der Mixed Reality Technologie basiert. cAR/PE! wurde im Forschungszentrum Ulm der Daimler- Chrysler AG speziell für Ingenieure entwickelt, die in verteilten Gruppen zusammenarbeiten. Im Rahmen zweier Studien fand eine Testung der Software in verschiedenen Werken der DaimlerChrysler AG statt. Interviews mit verteilt arbeitenden Ingenieuren als auch deren Beobachtung bei Projektmeetings bildeten die Grundlage für die Konzeption beider Studien. In der ersten Studie wurde der erste Prototyp von cAR/PE! untersucht. Hierbei zeigte sich kein signifikanter Unterschied in der Lösungsgüte von Gruppen, die eine Aufgabe mit geringer Komplexität in cAR/PE! oder in einem realen Meeting zu bearbeiten hatten. Bei der Bearbeitung der komplexen Konstruktionsaufgabe schnitten Gruppen in realen Meetings besser als cAR/PE!-Meeting Gruppen ab. Auf Grundlage der Ergebnisse dieser ersten Studie wurde cAR/PE! Zu cAR/PE!2 weiterentwickelt und in einer zweiten Studie wiederum evaluiert. Die zweite Studie bestand aus zwei Forschungsbedingungen, in denen die Gruppen die komplexe Konstruktionsaufgabe amphibious car bearbeiten mussten. Unter der ersten Forschungsbedingung schnitten reale Meetings2 Gruppen weiterhin signifikant besser als cAR/PE!2-Gruppen ab. Der Problemlöseprozess dieser Gruppen war vergleichbar und somit nicht mehr - wie in der ersten Studie - strukturell unterschiedlich. Die Unterschiede in der Lösungsgüte lassen sich vielmehr auf die stärkere softwarebedingte Beeinträchtigung durch die Nutzung von cAR/PE!2 zurückführen. Unter der zweiten Forschungsbedingung wurde der Einfluss der Arbeitsumgebung auf die Qualität der Gruppenarbeit untersucht. Die Arbeitsumgebung weist einen direkten, allerdings nicht signifikanten Einfluss auf den Problemlöseprozess der Gruppen auf. Somit konnte abgeleitet werden, dass die Arbeitsumgebung für eine erfolgreiche Kommunikation lediglich relevante Informationen für die Problemlösung und die Bestimmung des Sprecherortes beinhalten sollte. Auf der theoretischen Ebene konnte das mit task awareness erweiterte Rahmenmodell von Vertegaal et al. (1997) untermauert werden. Außerdem erwies sich das Model for the elements of distributed group work als sehr geeignet zur strukturierten Darstellung von Unterschieden in Gruppenarbeit. Auf der praktischen Ebene wurde cAR/PE! durch die Ergebnisse beider Studien weiterentwickelt und etablierte sich als Groupware System in den Werken bei der Daimler-Chrysler AG zwischen Sindelfingen und Bremen. / The aim of this thesis is to examine the use of the groupware system cAR/PE!, which is based on Mixed Reality technology. cAR/PE! was developed at the DaimlerChrylser Research Center in Ulm dedicated to distributed engineering group work and subsequently tested in two studies at various plants of DaimlerChrysler AG. Interviews and observations of engineer meetings in distributed project groups provided the basis for the conception of the two empirical studies. In the first study the first cAR/PE! prototype was tested. The study confirmed that less complex tasks could be solved equally well in both a conventional meeting room and in cAR/PE! Meetings. However, when solving a complex task, the conventional meeting was more favorable than cAR/PE!. These results were exploited for further developments of cAR/PE! resulting in cAR/PE!2. In the second study, the modifications were evaluated under two conditions to solve the complex design task amphibious car. Under the first condition, groups were still better at solving a complex task under the conventional meeting2 condition compared with cAR/PE!2, even the problem-solving processes were comparable and no longer structurally different than in the first study. The differences in the group results were caused by the software when using cAR/PE!2. Under the second condition, the influence of the meeting workspace was tested; this had a direct influence on the problem-solving processes of the groups, but the result was not significant. However, from this outcome it was deduced that only the relevant information for the tasks and the physical placement of the speaker leads to a successful conversation. On the theoretical level, the enhancement of the framework developed by Vertegaal et al. (1997) introducing the concept of task awareness and the appropriateness of the Model for the elements of distributed group work were confirmed. On the practical level, cAR/PE!2 was improved based on the results of both studies, then implemented and established as a permanent running groupware system between DaimlerChrysler´s plants in Sindelfingen and Bremen.

Studenten und Konstrukteure mit verschiedener konstruktionsmethodischer Ausbildung wurden bezüglich ihres Vorgehens beim Konstruieren und ihrer Konstruktionsleistungen untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Wirkung der Ausbildung für drei Teilleistungen (Konzepte erstellen, Konzepte bewerten, Entwürfe erstellen) verschieden ist. Für die konstruktionsmethodischen Empfehlungen für die frühen Phasen wird eine neue Konzeption vorgeschlagen. Der Einfluss kognitiver Variablen (Arbeitsgedächtnis, heuristische Kompetenz, Interferenz) wurde untersucht.