3D-CAD-Software Erfolgreicher 3D-CAD-Software-Einsatz in der Entwicklungskette am Beispiel der Automobilindustrie – Teil 1: Konstruktion & Software

Nach der Luftfahrtindustrie war die Automobilindustrie eine der ersten Branchen, die den Vorteil rechnerunterstützter Konstruktion früh erkannt haben. Vor allem der Einsatz 3D-CAD-System hat bis heute die Entwicklung eines Automobils revolutioniert. Nicht nur die Arbeitsinhalte der Konstrukteure haben sich dadurch grundlegend geändert, vor allem auch die Abläufe zwischen den Abteilungen und Unternehmen, die an der Entwicklung mitwirken. Die vormals stark sequentiellen Arbeitsschritte werden durch einen gemeinsamen Zugriff auf die Datenmodelle durch alle Beteiligten immer mehr parallelisiert, was sogar über Firmengrenzen hinausgeht.

Anbieter zum Thema

GWJ Technology GmbH

MDESIGN group

KISSsoft AG

FB Wirtschaft

Im Automobilbereich beispielsweise bedeutet dies auch eine immer stärkere und vor allem frühere Einbindung der Zulieferer in den Konstruktionsprozess. Dies führt bis zum Werkzeug- und Anlagenbauer, der als Experte in den jeweiligen Herstellungstechnologien eine Schlüsselposition einnimmt, um eine wirtschaftliche und qualitativ hochwertige Produktion im späteren Serienprozess zu gewährleisten.

Zur Zeit werden im europäischen Bereich vorwiegend Produkte aus dem Hause Dassault Systèmes (CATIA) und Siemens PLM Software (Unigraphics/NX) für die Konstruktion kompletter Fahrzeuge eingesetzt. PRO/Engineer von PTC wird bevorzugt für Motor, Getriebe und Fahrwerkskomponenten verwendet. Die sind die drei großen High-End 3D-CAD-Systeme.

Sie unterscheiden sich von den sogenannten Mid-Range-Systemen durch eine hohe Anzahl von integrierten Modulen, die weit über die mechanische Konstruktion hinausgehen. Dazu gehören z.B. Entwurf der Kabelstränge, Toleranzanalysen von Baugruppen, Layout von Produktionshallen, Ergonomieuntersuchungen mit Mensch-Modellen, Entwurf von Verrohrungen für Fluide, Flächenfunktionalitäten für Designer usw. Dabei haben die Mid-Range-Systeme in vielen Bereichen aufgeholt und bieten schon heute integrierte Module für die NC-Bearbeitung, FEM-Festigkeitsberechnungen, Kinematikanalysen und fotorealistische Darstellung an.

Der Kunde gibt das System vor.

Die großen Automobilhersteller haben sich langfristig für das eine oder andere CAD-System entschieden. Hier sind keine kurzfristigen Änderungen zu erwarten, da dies mit immensen Aufwendungen für Infrastruktur, Schulungen etc. verbunden wäre. Das wissen die Tier-One-Zulieferer (direkte Lieferanten von Fahrzeugteilen an den Automobilhersteller) nur zu gut, denn sie haben in den seltensten Fällen eine Wahl, wenn es darum geht in welchem CAD-System sie die zu fertigenden Bauteile konstruieren. Der Kunde gibt das System vor. Dies hat gute Gründe.

Trotz der Vielzahl an hochwertigen und spezialisierten Schnittstellen zwischen CAD-Systemen ist eine völlig verlustfreie Übertragung von Daten nicht möglich. Das betrifft vor allem alle nicht flächen- und körperbezogenen Daten.

Aber auch die mit viel Mühe und Arbeit angelegte Parametrik, die ja 3D-Modelle erst effektiv und sinnvoll macht, ist in der Regel nicht übertragbar. In jüngster Zeit gibt es in diesem Bereich neue Software-Systeme, die diese interne assoziative Struktur zwischen zwei CAD-Formaten übertragbar machen sollen. Zum Teil gelingt dies auch, abhängig von der Art und Komplexität der verwendeten Formelemente.

Im selben CAD-System konstruieren ist notwendig

Leider hat jedes CAD-System aber etwas unterschiedliche Formelemente, so dass eine 1:1 Übertragung nicht möglich ist. Hier sollte man im Bedarfsfall unbedingt mit realistischen Bauteilen Tests durchführen, um keine bösen Überraschungen zu erleben.

Wenn man also die vom Zulieferer erstellten Datenmodelle sinnvoll in den DMU des Fahrzeugs (Gesamt-Zusammenbau für Kollisionsanalyse etc.) übernehmen möchte, ist zwingend im selben CAD-System zu konstruieren.

In der zweiten Reihe der Zulieferer-Kette stehen in der Regel die Werkzeugbauer. Bislang hatten Sie oftmals noch die freie Wahl bei der engesetzten CAD-Software. Wenn überhaupt, dann wurde ein Datenmodell des Werkzeugs durch oben beschriebene Konvertierung ins Zielsystem erzeugt und dem Automobilhersteller zur Verfügung gestellt. Oftmals waren auch 2D-Informationen in Form von Zeichnungen in neutralem Format wie PDF ausreichend.

Hier wird in absehbarer Zeit ein Wandel eintreten. Um die Entwicklungszeiten weiter zu reduzieren und gleichzeitig effektiv und wirtschaftlich produzieren zu können, muss die baugruppenübergreifende Parametrik auch firmenübergreifend eingesetzt werden. Der dadurch entstehende Datenfluss ist in Bild 2 dargestellt. Die Entwurfsflächen (STRAK-Daten) des OEMs werden dem Bauteilkonstrukteur übergeben, der oftmals nicht mehr beim OEM arbeitet, sondern dem späteren Bauteil-Lieferanten (Tier-One). Er entwickelt daraus einen CAD-Körper, unter Berücksichtigung der jeweiligen Herstellungs- und Fügetechnologien.

Es ist sinnvoll die Assoziativität der 3D-CAD-Systeme zu nutzen

Jeder wird jedoch einsehen, dass auch der beste Bauteilkonstrukteur nicht all diese Fertigungsverfahren und –regeln so gut beherrschen kann, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Außerdem entwickeln sich die Verfahren immer schneller weiter, so dass die Unterstützung des Werkzeuglieferanten erforderlich ist, der den CAD-Körper zugeschickt bekommt.

Der Werkzeugkonstrukteur macht einen Entwurf für das Produktions-Werkzeug und ermittelt dabei Konstruktions-Fehler und Verbesserungs-Potenziale. Diese Änderungen werden zurück an den Bauteil-Konstrukteur gesendet, der wiederum nach Begutachtung und Freigabe der Änderungen die neuen Daten dem OEM übermittelt. Diese Änderungsschleife wird im Laufe einer Fahrzeug-Entwicklung nicht selten 50-100 durchlaufen. Um den dadurch entstehenden Aufwand in allen Bereichen so gering wie möglich zu halten, ist es sinnvoll die Assoziativität der modernen CAD-Systeme zu nutzen. So kann ein Datenstand gegen einen neuen ausgetauscht werden und das System berechnet automatisch z.B. das neue Aussehen des Werkzeugs oder die Bauraum-Analyse im DMU.

Solch ein Kreislauf ist besonders dann effektiv, wenn alle Beteiligten in einem CAD-System arbeiten und so die Daten verlustfrei verwendet werden können. Dadurch wächst der Druck auf die Werkzeug- und Anlagenbauer ebenfalls das CAD-System des OEMs einzusetzen. Außerdem gibt es den Rückfluss von Informationen zum Produzenten des Teils (OEM oder Zulieferer) in Form von CAD-Modellen des Werkzeugs und der Anlage. Wenn diese für die Wartung- und Instandhaltung genutzt werden sollen, ist es auch hier von Vorteil die Daten im Format des zur Verfügung stehenden CAD-Systems vorliegen zu haben.

Alle CAD-Systeme können Geometrien zwischen den Bauteilen einer Baugruppe assoziativ übertragen

Eine oben erwähnte automatische Aktualisierung von komplexen Baugruppen setzt aber voraus, dass man eine baugruppenweite assoziative Struktur verwendet, damit alle relevanten Bauteile sich der Änderung der Artikeldaten anpassen. Alle CAD-Systeme können durch Verknüpfungen Geometrie (oder auch Parameter) zwischen den Bauteilen einer Baugruppe assoziativ übertragen.

Allerdings bergen solche Verknüpfungen (Wave-Links, externe Verweise ö.ä.) auch große Gefahren, wie so mancher Konstrukteur leidvoll feststellen muss, wenn die Flut an Fehlermeldungen beim Aktualisieren keine Ende nehmen will und man nicht weiß wo man zuerst korrigierend eingreifen muss. Meistens führt dies dazu, dass man die Assoziativität bewusst unterbricht und vieles neu konstruieren muss. Ein Grund für die Unübersichtlichkeit der Zusammenhänge bei unstrukturiertem Vorgehen ist der Bezug zur Baugruppe, siehe Bild 3.

Erzeugt man eine Verknüpfung in einer Baugruppe, um eine Fläche von Bauteil A auch in Bauteil B assoziativ zu verwenden, so wird automatisch auch eine Verknüpfung zur Baugruppe erzeugt. Dies liegt darin begründet, dass die Position im Raum zwischen Bauteil A und Bauteil B nur durch die Baugruppe festgelegt wird, was dadurch natürlich auch die Lage der Fläche im Teil B beeinflusst. Das führt dazu, dass Einzelteile, die Verknüpfungen beinhalten nur in Verbindung mit der Baugruppe definiert sind. Hat man so in einer großen Baugruppe mit vielen Unterbaugruppen 10-15 Verknüpfungen zwischen beliebigen Bauteilen erzeugt, wird klar, dass schon kleine Fehler zu einer Instabilität führen, die schwer zu beherrschen ist.

Steigerung der Produktivität am CAD-Arbeitsplatz

Bild 4 zeigt eine Alternative, die Adaptertechnik genannt wird. Das Prinzip besteht darin, dass man alle Informationen (Geometrie wie Skizzen, Flächen etc. aber auch Parameter) in einer Datei, dem sog. Adapter zusammenfasst. Alle Verknüpfungen werden nur zwischen den Teilen und dem Adapter vorgenommen.

Um einen Bezug zur Baugruppe zu vermeiden, wird nur zwischen Adapter und Einzelteilen verknüpft. Die Lage im Raum wird dann über das absolute Achsensystem definiert. Dies hat einen weiteren Vorteil, weil in der Automobilindustrie bei Teilen mit Fahrzeugkontur immer das Fahrzeug-Koordinatensystem als absolutes Koordinatensystem verwendet wird. Dadurch ist ein versehentliches Verschieben von Adapter und Bauteil nicht möglich und die Einzelteile sind auch ohne die Baugruppe eindeutig definiert. Das vereinfacht die Fehlersuche und Korrektur enorm, weil immer nur zwei Dateien von einander abhängig sind.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Produktivität am CAD-Arbeitsplatz ist die Anwendungs-Programmierung. Zum einen lassen sich damit immer wieder kehrende Arbeits-abläufe automatisieren, zum anderen können spezielle Analysen und Fertigungssimulationen programmiert werden, die dann zu einer besseren Konstruktionsqualität und dadurch zu Kosten- und Zeitersparnis führen.

Der Phantasie sind wenige Grenzen gesetzt

Alle gängigen CAD-Systeme lassen sich mit einer Hochsprache wie Visual-Basic o.ä. komfortabel ansprechen, so dass einige Grund-kenntnisse genügen, um sich Schritt für Schritt einzuarbeiten. Hier besteht noch ein großes Rationalisierungs-Potenzial, was bislang zu wenig benutzt wird

Neben diesen CAD-internen Strukturen ist natürlich eine gute Verwaltung der CAD-Dateien von großer Bedeutung. Dies haben auch die Systemhäuser lange erkannt und bieten eine Reihe von PDM-Lösungen an. Aufgrund der Vielfalt und der unterschiedlichen Anforderungen ist es unwahrscheinlich, dass alle an einem Entwicklungsprojekt beteiligten Firmen mit demselben PDM-System arbeiten. Der Datenaustausch erfolgt zurzeit über PDM-Portale, in denen die OEMs alle Datenmodelle den Zulieferern zur Verfügung stellen.

Umgekehrt können die Zulieferer auch Daten einstellen, die dann vom OEM gesichtet und freigegeben werden müssen. In anderen Branchen werden zunehmend auch PDM-Portale im Internet genutzt, um die Kommunikation zwischen Partner-Firmen zu ermöglichen. In diesen „virtuellen Büros“ können völlig ohne aufwendige Installation im Unternehmen Daten zwischen beliebig vielen berechtigten Personen ausgetauscht, oder auch Net-Meetings mit entsprechendem Protokoll durchgeführt werden.

PDM-Einführungen werden oftmals unterschätzt

Trotzdem benötigt jedes Unternehmen ein eigenes PDM-System, dass die individuellen Informations- und Kommunikationsstrukturen sowie die Arbeitsabläufe unterstützt. Dabei geht es nicht nur um die Daten aus den Entwicklungsabteilungen. Jede Abteilung muss Zugriff auf die Produktstrukturen haben. Dabei wird häufig vergessen, dass auch alle Abteilungen dort Informationen einstellen müssen. Dadurch werden PDM-Einführungen oftmals unterschätzt.

Die enge Verzahnung zwischen erzeugender Software (CAD, Office, etc.), dem PDM-System und dem ERP-System (Enterprise Resource Planning System) machen solche Einführungs-Projekte zu 4-5 jährigen Veranstaltungen. Dabei kann man nur erfolgreich sein, wenn die Mitarbeiter von den Vorteilen überzeugt werden. Dabei sind die Konstrukteure in der Regel nicht die schwierigste Anwendergruppe.

Wichtigste Funktion eines PDM-Systems ist eine stabile Schnittstelle zum CAD-System

Für die CAD-Arbeit sind die wichtigsten Funktionen eines PDM-Systems eine stabile Schnittstelle zum CAD-System, komfortable Suchfunktionen (Wiederholteile), Zugriffsmanagement beim gleichzeitigen Arbeiten mehrerer Personen an einer Baugruppe, leichte Variantenerzeugung auch von ganzen Baugruppen und Versionsmanagement inkl. Freigabewesen.

Trotz der immer wieder totgesagten Zeichnung, kann auf 2D-Informationen bislang noch nicht vollständig verzichtet werden. Gerade für die Fertigung hat der technische Zeichner dort in vielen Stunden Arbeit wertvolle Informationen hinterlegt. Zwar werden zunehmend auch Toleranz- und Oberflächenangaben in 3D-Modellen abgelegt, was aber gerade beim Outsourcen von Fertigungskapazitäten Schwierigkeiten bereitet, wenn der Lieferant die Informationen nicht sichtbar machen kann. Da sind Zeichnungen in neutralem Format nach wie vor universell und bieten exzellente Eigenschaften für die Langzeitarchivierung, die dann das PDM-System übernehmen muss.

Leider haben fast alle PDM-Systeme eine Schwäche bei der komfortablen Ausgabe umfangreicher Zeichnungssätze. Das betrifft nicht nur das Drucken, sondern auch das Zusammenstellen von Zeichnungssätzen z.B. in ZIP-Archiven für den e-mail-Versand. Dabei haben die Systemhäuser doch schon bei der Entwicklung der CAD-Systeme die Bedeutung der Zeichnung für den Ingenieur unterschätzt, was mittlerweile eingesehen und korrigiert wurde. Bleibt zu hoffen, dass dies auch im PDM-Bereich geschieht.

Prof. Dr.-Ing. Bernd Schwarze (Konstruktion, CAD und Maschinenelemente)

Fachhochschule Osnabrück, University of Applied Sciences, Fakultät Ingenieurwissenschaften und Informatik

(ID:221961)