Konstruktion Virtuell und interaktiv in die Zukunft der Entwicklung

Konstruktion und Produktentwicklung sind Basis für Innovation und dabei selbst ständigem Wandel unterworfen. Schon heute nutzt der Konstrukteur weit mehr als einen Monitor für seine Arbeit: Mobile Computing, 3D-Druck und Virtual sowie Augmented Reality verändern den Prozess. Wie vor 25 Jahren konstruiert wurde und was Konstrukteure in Zukunft erwarten wird – wir wagen gemeinsam mit Experten den Blick in die Zukunft.

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Globalisierung, Virtualisierung und Vernetzung – mit diesen Schlagworten gingen bereits viele Veränderungen in der Konstruktion einher. Und sie werden die Prozesse weiter umtreiben.
Globalisierung, Virtualisierung und Vernetzung – mit diesen Schlagworten gingen bereits viele Veränderungen in der Konstruktion einher. Und sie werden die Prozesse weiter umtreiben.
(Bild: everythingpossible - Fotolia)

Aktuelle Informations-, Kommunikations- und Produktionstechnologien eröffnen neue Horizonte für die Entwicklung innovativer Produkte: Mobile Computing, Cloud Computing, Augmented und Virtual Reality, 3D-Druck und zunehmende Interaktion mit dem Endkunden beeinflussen die Art und Weise, wie neue Produkte entwickelt werden: Sie werden virtuell entwickelt, häufig in der Cloud, rechnergestützt optimiert und dabei in all ihren Facetten erfahrbar gemacht.

Basis dafür ist eine der grundlegenden Veränderungen, die sich im Bereich der Entwicklung und Konstruktion in den vergangenen 25 Jahren vollzogen hat, wie Peter Scheller, Marketing Director NX bei Siemens PLM Software, betont: „Als grundlegende Veränderungen in den vergangenen 25 Jahren ist zu aller erst der komplett abgeschlossene Umstieg vom Zeichenbrett zur 3D-Konstruktion zu nennen. Dies umfasst nicht nur den Entwurf einzelner Teile, sondern auch der 3D-Baugruppen.“

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CAD-Software im Umbruch

Als das Fachmagazin konstruktionspraxis vor 25 Jahren aus der Taufe gehoben wurde, war es eine turbulente Zeit für die Konstruktion. Detlev Reicheneder, Senior Industry Manager bei Autodesk, erinnert sich: „CAD-Software war vor 25 Jahren in einem wirklichen Umbruch. Das war damals die große Zeit des Umdenkens von extrem komplexen, nur von Experten zu bedienenden proprietären Systemen hin zu anwenderfreundlicher, erschwinglicher Software, die jeder Ingenieur in seiner täglichen Arbeit einsetzen konnte“. War die Software im Jahr 1990 schlicht und ergreifend noch zweidimensional, war sie dennoch schon eine enorme Arbeitserleichterung für Konstrukteure, resümiert Andreas Barth, Managing Director Euro Central bei Dassault Systèmes: „So war sie bereits 1990 nicht mehr aus der Konstruktion wegzudenken, insbesondere in der Automobilindustrie und dem Flugzeugbau.“

Kostenintensive Arbeitsplätze

Typische Arbeitsplätze zur damaligen Zeit waren allerdings noch mit Großrechnersystemen und Digitalisierungs-Mäusen, Pens sowie programmierbaren Grafiktabletts zum Konstruieren ausgestattet, was ein sehr teurer Spaß war. „Die Großrechnersysteme hatten einen stolzen Preis, der weit oberhalb von 100.000 US-Dollar pro CAD/CAM-Arbeitsplatz lag“, sagt Jürgen Stadtmüller, System Engineer Workstation bei Dell. Auch für die Software musste tief in die Tasche gegriffen werden, wie Mike Campbell, Executive Vice President, CAD Segment bei PTC sagt: „CAD-Software vor 25 Jahren war voller Potential, aber durch teure Einzelplätze und die ebenso teure Hardware, komplizierte Drahtdarstellung- und Benutzeroberflächenkonzepte sowie absolut nicht intuitive Benutzerschnittstellen sehr eingeschränkt.“

Auf dem Weg zur passenden Hardware

Die zunehmende Verbreitung der Personal Computer Ende der 80er Jahre war schließlich ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur heutigen Soft- und Hardware, denn damit sank auch der Preis. In der Folge verschwanden die Großcomputer-Hersteller mit ihrer CAD/CAM-Software vom Markt oder lösten sich von ihrer proprietären Hardware und wandelten sich zu den Software-Herstellern, die man heute kennt. Computervision beispielsweise, in den 80er Jahren einer der bedeutendsten CAD-Programmhersteller, wurde 1997 von PTC übernommen. Die Adaption von Windows NT als Engineering-Desktop-Plattform in den späten 90er Jahren war ein weiterer wichtiger Schritt in der Entwicklung, denn „CAD konnte somit auf deutlich erschwinglicheren PCs laufen, was ebenso zu einer Neuausrichtung der Usability bei den Anbietern führte“, so Mike Campbell.

Software vor Hardware

Aus dem Blickwinkel der Hardware allerdings merkte man Anfang der 90er Jahre sehr schnell, dass ein herkömmlicher PC die Ansprüche eines Konstrukteurs-Arbeitsplatzes nicht komplett erfüllen konnte. „Grafikkarten, Festplatten, Arbeitsspeicher und die 16- oder 32-Bit-Betriebssysteme konnten den angestammten 32- und 64-Bit-Systemen nicht das Wasser reichen. Die PC-Hardware hinkte der PC-Software generell ständig hinterher“, erinnert sich Jürgen Stadtmüller. Intel und AMD entwickelten zwar fleißig neue und schnellere Prozessoren, den wirklichen Durchbruch brachten aber erst die Pentium- und dann die Dual-Core-Pentium-Prozessoren. Jürgen Stadtmüller: „Das ermöglichte es Dell, 1997 eine richtige Workstation auf den Markt zu bringen, die auch alle Funktionen der verschiedenen CAD-, CAM- und CAE-Programme nutzen konnte. Sie war robust genug, um auch über mehrere Jahre hinweg ohne Unterbrechung zu arbeiten, und bot alle Komponenten der Großrechner-Umgebungen nun auch im PC-Umfeld.“

Von der Bildanzeige zum Grafikprozessor

Für Klaus Herbert, Workstation Area Category Manager Germany bei Hewlett-Packard, war der stetige Anstieg in der Rechenleistung von System-Prozessoren und die anhaltende Parallelisierung durch die Integration multipler Rechenkerne ein Meilenstein in der Entwicklung der Hardware. „So wurde die Verlagerung von immer mehr Arbeitsschritten wie Simulation, Konstruktion und Test auf leistungsfähige Workstations möglich.“ Die steigende Leistung und Kapazität von Arbeitsspeicher und Speicher-Laufwerken habe die Bearbeitung umfangreicherer Projekte auf Computer-Systemen ermöglicht. „Grafik-Subsysteme entwickelten sich von reinen Bildanzeige-Komponenten zu leistungsfähigen Grafikprozessoren, welche sowohl die exakte Darstellung von 2D-Konstruktionszeichnungen als auch die fotorealistische Darstellung von 3D-Modellen erlauben“, so Klaus Herbert.

Von Unix zum PC

Detlev Reichender fasst die Meilensteine aus seiner Sicht kurz und bündig zusammen: „Mehrere technologische Durchbrüche und massive Umwälzungen markierten die Meilensteine in den letzten 25 Jahren auf dem Weg zur heutigen CAD-Software: von Host-basierenden proprietären Systemen zur Workstation, von Unix zum Windows PC. Die CAD-Technologie definierte sich über Meilensteine wie 2D auf einem PC über dreidimensionale parametrische Modellierung für Jedermann hin zur Optimierung mit integrierter Simulation und Visualisierung, oft auch Digital Prototyping genannt.“

Meilenstein 3D-CAD-Modelle

Mit Digital Prototyping soll die Entwicklungszeit von neuen Produkten verkürzt, die Kosten der Entwicklung gesenkt und die Qualität der Produkte verbessert werden. Der Grundgedanke ist, die zur Funktionsprüfung von Neuentwicklungen notwendigen Prototypen oder Versuchsmuster weniger als körperliche Prototypen zu testen, sondern sie vielmehr als „virtuelle“ oder „digitale“ Prototypen zu prüfen. Die Basis für das Digital Prototyping und alle weiteren digitalen Verfahren wie Digital Mock Up stellen 3D-CAD-Modelle dar, deren Aufkommen Anfang der 90er Jahre für Andreas Barth einen wichtigen Meilenstein darstellt. Schon kurze Zeit später, so erinnert sich Barth, wurden die ersten digitalen Prototypen zum Beispiel in Crashtest an die Wand gefahren, ohne dass dabei real etwas zu Bruch ging.

Durchgängige Daten in allen Phasen

Eine wichtige Voraussetzung für das Digital Prototyping und für weitere aktuelle und zukünftige Herausforderungen ist die Durchgängigkeit der Daten durch alle Phasen der Produktentwicklung. Die Zeit von Insellösungen ist passé, es gibt einen klaren Trend hin zur digitalen Vernetzung. „Mit der Vorstellung der 3D-Experience-Plattform trug Dassault Systèmes 2012 dieser Entwicklung Rechnung. Eine zentrale Plattform wird in Zukunft sämtliche Anwendungen bündeln, von der 3D-CAD- über die Simulations- bis zur Datenmanagement-Lösung. Jede dieser Applikationen greift dabei jeweils auf ein und denselben Datensatz zurück“, sagt Andreas Barth. Dabei müssen auch Zusammenhänge zwischen den einzelnen Prozessschritten und Disziplinen verstanden und Ergebnisse miteinander vernetzt werden – in diesem Punkt sind sich die hier angeführten Anbieter von Konstruktionssoftware Autodesk, Dassault Systèmes, PTC und Siemens PLM Software einig: Der Weg wird ganz im Sinne von Industrie 4.0 zu mehr Vernetzung, Intelligenz und personalisierten Produkten führen und alle arbeiten daran, dem Konstrukteur die dafür passenden Werkzeuge an die Hand zu geben.

Vernetzt, intelligent und virtuell

„In fünf Jahren wollen wir den Anwendern unserer Lösung eine wesentlich engere Verbindung mit ihren Produkten im Einsatz in der realen Welt ermöglicht haben. Das Aufkommen und der zunehmende Einbezug von intelligenten, vernetzten Produkten in das Geschäft werden CAD-Anwendern den Zugriff auf eine Vielzahl an neuen Daten ermöglichen, mit denen wesentlich bessere Erkenntnisse über den tatsächlichen Einsatz ihrer Produkte gewonnen werden“, sagt Mike Campbell.

Um in der vernetzten Welt die richtigen Entscheidungen treffen zu können, will Dassault Systèmes den Anwendern die Möglichkeit geben, noch detaillierter unternehmensweite und entwicklungsrelevante Prozesse durchzuspielen, die prognostizieren, welche Entscheidung welche Folgen nach sich ziehen – für den Endkunden, das eigene Unternehmen und die Umwelt. Um diese Entscheidungen kosten- und energieeffizient treffen zu können, stehen virtualisierte Workstation-Umgebungen zur Verfügung. In einem virtuellem 3D-Raum könnten schließlich mit dem Kunden letzte Abstimmungen erfolgen – und dieser nimmt sein Produkt dann vielleicht schon als realen Prototyp aus dem 3D-Drucker mit.

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