Die Produktentstehung wird heute durchgängig von IT-Systemen unterstützt. Der Artikel beschreibt Konzepte, Methoden und Systeme der rechnerunterstützten Produktentwicklung, angefangen vom Computer Aided Design über den Digital Mock-up bis zum ganzheitlichen virtuellen Prototypen.
Von der technischen Zeichnung zum virtuellen Prototypen
Heute modellieren wir technische Artefakte jedwelcher Art im Computer. Wer mag da noch mit einer technischen Zeichnung arbeiten? Im Nachhinein betrachtet hat die Verbreitung des Computer Aided Design (CAD) in den 80er Jahren die Produktentwicklung nicht groß verändert. Es ging primär darum, mit Hilfe von 2D-CAD-Systemen technische Zeichnungen rationell zu erstellen. Der wirklich entscheidende Punkt ist, ob im Computer ein Modell des zu entwickelnden Objektes gebildet wird. Bei einem 2D-CAD-System ist das nicht der Fall, da lediglich die Ansichten, die Bemaßungen und die übrigen Textinformationen gespeichert werden. Das Modell bildet der Mensch im Kopf auf Basis der Ansichten des Objektes. Erst die 3D-CAD-Systeme brachten die eigentliche Revolution. Sie war jedoch nicht so spektakulär, weil die Leistungsfähigkeit der Rechner bis weit in die 90er Jahre hinein nicht ausreichte, komplexe Objekte zu modellieren.
Heute haben sich 3D-CAD-Systeme im Großen und Ganzen durchgesetzt. Sie erlauben die Modellierung der Gestalt eines komplexen Objektes. Daraus lassen sich beliebige – auch photorealistische – Darstellungen des Objekts und selbstredend auch die Ansichten und Schnitte einer technischen Zeichnung automatisch generieren. 3D-CAD-Systeme bilden die Basis für Virtuelle Prototypen bzw. Digital Mock-ups. Die Zusammenhänge sind in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Einordnung der Begriffe Digitaler Mock-up und Virtueller Prototyp
Der Digitale Mock-up (DMU) ist die Aggregation der 3D-Modelle einzelner Bauteile zu einem 3D-Modell des Produktes bzw. Erzeugnisses. Diese Aggregation erfolgt entsprechend der Produkt- bzw. Erzeugnisstruktur und unter Angabe von Position und Orientierung eines jeden Bauteils im Raum. Die Produktstruktur ergibt sich aus der Stückliste bzw. aus dem Produktdatenmanagement (PDM). Auf der Basis des Digital Mock-ups lassen sich vielfältige Analysen wie Kollision von Bauteilen, Montierbarkeit, Demontierbarkeit, etc. durchführen. Die Integration von weiteren Aspekten neben der Gestalt, wie das Bewegungsverhalten, die Festigkeit, das thermische Verhalten, führt zum virtuellen Prototypen. Dieser ist eine rechnerinterne Repräsentation des kompletten Produktes. Es lassen sich verschiedene Arten von Analysen zum Nachweis der Funktionsfähigkeit durchführen. Dafür hat sich auch der Begriff Virtual Prototyping durchgesetzt; d.h. von dem in Entwicklung befindlichen Produkt werden Partialmodelle, die einzelne Aspekte beschreiben, gebildet und analysiert. Dies spart Zeit und Geld, weil auf den Bau und den Test von realen Prototypen weitgehend verzichtet werden kann [Gausemeier, Plass 2013].
CAD-Systeme
Ursprünglich stand der Begriff CAD für „Computer Aided Drafting“. Der Computereinsatz für die Zeichnungserstellung führte zu erheblichen Zeiteinsparungen insbesondere durch die Verwendung von vordefinierten Bibliotheken für Norm- und Wiederholteile und bei Zeichnungsänderungen. Moderne CAD-Systeme ermöglichen die Beschreibung der Gestalt von Bauteilen. Wie dies konkret erfolgt, sei anhand des Beispiels in Abbildung 2 dargestellt. Es handelt sich um das Kunststoffgehäuse eines Miniaturroboters. Es werden lediglich die wesentlichen Schritte zur Erfassung der Gestalt erläutert. Daneben ist die Gestalt hinsichtlich der Fertigungsrestriktionen zu modifizieren; dazu zählen beispielsweise die Berücksichtigung der Schwindung, der Aushebeschrägen und der Trennebenen. Auf der Basis des erzeugten 3D-Modells des Bauteils lassen sich Größen wie Volumen/Gewicht, Schwerpunkt und Massenträgheitsmoment automatisch berechnen. Ferner bildet das 3D-Modell in diesem Fall auch die Basis für die Simulation des Spritzgießprozesses.
Aus der beispielhaft genannten Literatur geht die außerordentlich hohe Leistungsfähigkeit heutiger 3D-CAD-Systeme hervor [Rembold 2011; Schabacker 2010; Vogel 2012].
Abbildung 2: Schrittweises Vorgehen bei der Modellierung eines Robotergehäuses mit einem 3D-CAD-System
Digital Mock-up (DMU)
Mit der zunehmenden Komplexität technischer Systeme haben sich auch die gestaltbezogenen Analysen auf der Basis des Digital Mock-ups durchgesetzt. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn in einem knapp bemessenen Bauraum eine hohe Bauteildichte erreicht werden muss [Spur, Krause 1997, S. 399], [Gausemeier, Ebbesmeyer, Grafe 2005, S. 609 ff]. Dabei geht es nicht nur um Mechanik, sondern auch um die Objekte anderer Domänen, wie Elektrik/Elektronik, Hydraulik etc. Auch diese Objekte sind am Ende gestaltbehaftet und zu verbauen.
Als Vorreiter für den Einsatz des Digital Mock-ups gilt die Flugzeugindustrie. Boeing hat Anfang der 90er Jahre die komplette Entwicklung des Typs 777 auf diese Weise vorangetrieben und die Entwicklungszeit erheblich reduzieren können. Im Folgenden gehen wir kurz auf einige weitere DMU-typische Anwendungen ein.
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Kollisionsuntersuchungen: Insbesondere in komplexen kinematischen Systemen mit volumenbehafteten Objekten ist die rechnerunterstützte Analyse auf Kollision unumgänglich. Untersuchungsgegenstand solcher Analysen sind Bauteilberührungen (Contact), Bauteilüberschneidungen (Clash) und Freigangsverletzungen (Clearance).
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Bauraum- und Montageanalysen: Bauraumanalysen verfolgen das Ziel, den zur Verfügung stehenden Bauraum optimal auszunutzen. Mit Hilfe des Digital Mock-ups kann beispielsweise untersucht werden, ob ein Behälter für die Kühlflüssigkeit im Motorraum montierbar ist. Ferner lassen sich auf dieser Basis mit Hilfe von Animationen sehr anschauliche Schulungsunterlagen für die Montage- und Demontage erstellen.
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Erstellung von Verkaufsunterlagen: Großer Aufwand wird heutzutage in Marketing und Verkauf getrieben, um realitätsgerechte Produktpräsentationen zu erzeugen, obwohl das Produkt noch nicht verfügbar ist. Die Basis dafür bilden 3D-Modelle. Deren Oberflächen werden Eigenschaften wie Farbe, Textur, Reflexion etc. zugeordnet. Raytracing-Software setzt das spätere Produkt quasi ins rechte Licht und liefert realistisch anmutende Produktbilder. Darüber hinaus werden die statischen 3D-Modelle animiert, um in einem realistischen Produktfilm z. B. die Fahreigenschaften eines neuen Sportwagens in rasanten Fahrmanövern kinoreif zu demonstrieren. Neben dem 3D-Modell, das die Gestalt repräsentiert, ist dafür auch die Fahrdynamik zu modellieren und in der Animation wiederzugeben.
Virtual Prototyping
Virtual Prototyping unterstützt den gesamten Entwicklungsprozess, es hilft dem Entwicklungsingenieur viele Sachverhalte zu analysieren, Entscheidungen zu treffen und die weitere Konkretisierung voranzutreiben. Grundlage dafür ist der virtuelle Prototyp. Der virtuelle Prototyp ist eine rechnerinterne Repräsentation des kompletten Produkts mit den Aspekten Gestalt, Bewegungsverhalten, thermische Festigkeit und thermisches Verhalten. Im Verlauf des Entwicklungsprozesses wird der virtuelle Prototyp kontinuierlich verfeinert. Am Ende dieses Prozesses hat der virtuelle Prototyp eine so hohe Güte, dass Analysen und Simulationsläufe zu Ergebnissen führen, die auch Versuche mit dem realen Prototypen zeigen würden. Diesem hohen Anspruch kommt man heute schon sehr nahe. Somit kann auf einen erheblichen Teil von Versuchen mit realen Prototypen verzichtet werden. Dies ist einer der wesentlichen Gründe, warum beispielsweise in der Automobilindustrie die Entwicklungszeit drastisch reduziert werden konnte, obwohl die Fahrzeuge komplexer geworden sind. Im Folgenden gehen wir kurz auf einige typische Analysen ein, um den Nutzen zu verdeutlichen. Die Beispiele haben nicht den Anspruch, das weite Feld der heutigen Möglichkeiten umfassend zu beschreiben.
Simulation von Mehrkörpersystemen
Die Simulation von Mehrkörpersystemen (MKS) wird eingesetzt, um das Bewegungsverhalten komplexer Systeme zu untersuchen, die aus einer Vielzahl gekoppelter beweglicher Teile bestehen. Die Mehrkörpersystemsimulation hat ein breites Anwendungsspektrum. Es reicht von der Überprüfung des Bewegungsverhaltens einzelner, aus wenigen Bauteilen bestehenden Baugruppen über die Identifikation von Kollisionsproblemen und das Schwingungsverhalten von Systemen bis hin zum Bewegungsverhalten eines Gesamtsystems. Ferner ermöglicht die MKS-Simulation die Bestimmung der Kräfte und Momente, die durch Bewegungen auf das System einwirken. Die MKS-Simulation beruht auf einer starken Vereinfachung der Realität. Um diese genauer abzubilden, wird die MKS-Simulation oft mit weiteren Verfahren wie FEM (Finite Elemente Methode) oder CFD (Computational Fluid Dynamics) kombiniert.
Finite Elemente Methode
Verformungen und Spannungen in Festkörpern aufgrund von äußeren Belastungen oder die Temperaturverteilung werden anhand von Differentialgleichungen beschrieben. Die Lösung dieser Gleichungen ist für einfache Aufgabenstellungen möglich, nicht aber für komplexe und kontinuierliche Systeme wie sie in der Praxis zu finden sind. Die Finite Elemente Methode (FEM) ist ein Verfahren, das allgemeine Feldprobleme, die durch orts- und zeitabhängige partielle Differentialgleichungen beschrieben werden, näherungsweise löst. Aus den gelösten Gleichungen werden dann die gesuchten Resultate wie Verformungen und Spannungen abgeleitet. Mittels FEM können heute neben Festigkeitsanalysen eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt werden, beispielsweise Akustikanalysen, zeitliche Temperaturverläufe und elektromagnetische Verträglichkeit.
Computational Fluid Dynamics
Für Analysen aus dem Bereich der Strömungsmechanik nehmen numerische Strömungssimulationen (Computational Fuid Dynamics, CFD) eine herausragende Stellung ein. Mittels CFD können Stromlinien, Kräfte, Druckmodelle, Verdrängung usw. sichtbar gemacht werden. CFD löst strömungsmechanische Probleme approximativ mit numerischen Methoden. Auf diese Weise kann beispielsweise das Strömungsfeld im Brennraum während des Ansaugtaktes simuliert werden.
Analyse von flexiblen Bauteilen
Die Analyse von flexiblen Bauteilen wird immer dann durchgeführt, wenn die Verlegung von Bauteilen aus elastischen bzw. biegeschlaffen Materialien geplant werden muss; dazu zählen Kabel, Schläuche, Dichtungen und Manschetten. Unter Berücksichtigung der Materialparameter und der Geometrie wird das Verhalten der flexiblen Bauteile in Echtzeit simuliert. Einwirkungen wie Verdrehung, Verspannung, Dehnung und Schwerkraft werden dabei berücksichtigt. Der Nutzen liegt auf der Hand: Statt Erkenntnisse über die Verlegung von Kabeln etc. erst in der realen Montage zu gewinnen, können schon frühzeitig die Kabellängen ermittelt, deren Verhalten in Montage und Betrieb untersucht und die Montageoperationen optimiert werden. Das spart Zeit und Geld, hier wie auch in den anderen Bereichen des Virtual Prototyping. Virtual Prototyping oder allgemeiner ausgedrückt die Virtualisierung der Produktentstehung ist daher ein Schlüsselgebiet des Einsatzes von IT-Systemen in der Produktentstehung.
Literatur
Gausemeier, Jürgen; Ebbesmeyer, Peter; Grafe, Michael:r Prototyping und Produktmodellierung. In: Schäppi, Bernd; Andreasen, Mogens M.;r Kirchgeorg, Manfred; Radermacher, Franz-Josef (Hrsg.): Handbuchr Produktentwicklung. München : Carl Hanser Verlag, 2005.
Gausemeier, Jürgen; Plass, Christoph: Zukunftsorientierte Unternehmensgestaltung – Strategien, Geschäftsprozesse und IT-Systeme für die Produktion von morgen. 2. Auflage. München : Carl Hanserr Verlag, 2013.
Rembold, Rudolf W.: Einstieg in Catia V5 – Objektorientiertesr konstruieren in Übungen und Beispielen. 5. Auflage, München : Carl Hanser Verlag, 2011.
Schabacker, Michael: Solid Edge ST2 – kurz und bündig –r Grundlagen für Einsteiger. 4.r Auflage, Wiesbaden : Vieweg+Teubner Verlag Verlag, 2010.
Spur, Günter; Krause, Frank-Lothar: Das virtueller Produkt – Management der CAD Technik. München, Wien : Carl Hanser Verlag 1997.
Vogel, Harald: Konstruieren mit SolidWorks. 5. Auflage, München : Carlr Hanser Verlag, 2012