Was ist eigentlich Model Based Definition?

Definition Was ist eigentlich Model Based Definition?

28.10.2021Autor Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Mit modellbasierter Definition (MBD) werden 3D-Modelle zur Quellautorität, die die Grundlage für alle Prozesse in der Produktentstehung bildet. Wie das funktioniert und was die Vorteile sind.

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Dank MBD werden 3D-Modelle mit allen Daten ausgestattet, die zum Definieren, Fertigen und Prüfen eines Produkts benötigt werden.
(Bild: ©red150770 - stock.adobe.com)

Digitalisierung ist in aller Munde – auch die Prozesse in Konstruktion und Entwicklung können von digitalen Technologien profitieren. Ein Beispiel sind die traditionellen 2D-Zeichnungen von Modellen, die nach wie vor oft als Basisdokument für die Fertigung dienen. In einer CAD-Datei steckt aber wesentlich mehr als nur Geometrie: Neben Konstruktionshistorie und Parametern beziehungsweise Maßen sind dies unter anderem Metadaten, beispielsweise Material, Gewicht, Schwerpunkt und viele andere Eigenschaften.

Medienbruch zwischen Modell und Zeichnung

Beim Erstellen der Zeichnung wird das 3D-Modell zweidimensional umgesetzt, sodass viele Informationen verloren gehen. Zudem dokumentieren die Konstrukteure viele Informationen zum Bauteil und seiner Fertigung erst auf der Zeichnung, beispielsweise Materialien, Toleranzen oder auch weitere Detailinformationen, Stücklisten, Konfigurationen und allgemeine Hinweise. Diese Informationen stehen damit im digitalen Prozess, der ja auf dem 3D-Modell basiert, nicht zur Verfügung.

Abhilfe schafft die sogenannte Model based definition: Hier werden alle Produktinformationen am Modell definiert. So sind 3D-Modelle mit allen Daten ausgestattet, die zum Definieren, Fertigen und Prüfen eines Produkts benötigt werden. Dieses Modell kann nachgeschaltet von Zulieferern sowie organisationsübergreifend innerhalb eines Unternehmens verwendet werden.

Die Geschichte von MBD

Die Wurzeln von MBD gehen auf die Einführung von 3D-CAD-Systemen, speziell mit parametrischen Volumenmodellierern wie Pro/Engineer 1989, zurück. Idee war es, das Produkt komplett digital zu beschreiben. Das 3D-Modell ist dabei die Grundlage der 2D-Zeichnung, die weitere Fertigungsinformationen wie Maße, Beschreibungen und Toleranzen enthält. Bei PTC spricht man hier vom „Modell-Zentrischen“ Ansatz mit der Zeichnung als legalem Austausch-Format.

Mitte der 1990er Jahre trafen sich mehrere Experten bei Boeing in Wichita, Kansas, um eine neue Methodik zur Erfassung der PMI direkt im CAD-Modell vorzuschlagen: MBD. Die technischen Standards für MBD sind in ASME Y14.41-2019 und ISO 16792:2015 festgehalten.

Mit dem ISO GPS-Normensystem, veröffentlicht ab 2011, wurden widerspruchsfreie Regeln eingeführt, um geometrische Merkmale vollständig und eindeutig zu beschreiben. Dies ist die Grundlage für die eindeutige Beschreibung des Produktes innerhalb des 3D-Modells, also ohne Zeichnung. Dieser Ansatz wird bei PTC als „Modell-Basiert“ bezeichnet. Das Unternehmen verfolgt diesen Ansatz mit PTC Creo bereits seit Version 2.0.

Anfangs waren CAD-Systeme nichts anderes als „digitale Zeichenbretter“, die kaum einen Mehrwert brachten gegenüber dem Zeichnen mit Tusche und Rasierklinge. Doch mit der Zeit wuchs die Intelligenz und die Systeme wurden einem breiten Anwenderkreis zugänglich. (Destina - stock.adobe.com)

Welche Informationen werden am Modell angebracht?

Idealerweise werden die Informationen nicht mehr an die Zeichnung als Ableitung des 3D-Modells, sondern direkt am Modell angebracht. Diese umfasst alle die geometrischen Merkmal wie Größenmaß, Form, Richtung, Ort oder Lauf in technischen Spezifikationen. Darüber hinaus sollte das Modell sog. Produktfertigungsinformationen (PMI, Product Manufacturing Information) enthalten. Damit sind alle fertigungsrelevanten Informationen, die als Anmerkung an einem 3D-Modell angebracht werden können, gemeint. Beispiele sind: Bemaßungstoleranzen, Form- und Lagetoleranzen, Oberflächeninformationen und weitere Texte oder Annotationen.

Bei der modellbasierten Definition werden Produktinformationen direkt in der Geometrie platziert.
(Bild: PTC)

Warum ist MBD effizienter als die traditionelle Methode mit 2D-Zeichnungen?

3D-Anmerkungen im CAD-Modell sind semantisch: Es sind maschinenlesbare Informationen – im Gegensatz zur menschenlesbaren Information auf einer Zeichnung. Andere Software kann sie also verstehen: Wird anstelle eines PDFs oder eines Ausdrucks einer Zeichnung eine native MBD-Teiledatei oder eine CAD-neutrale MBD-Step-Datei an Folgeschritte weitergegeben, erkennt die CAM- oder CMM-Software die 3D-Anmerkungen und ihre geometrischen Referenzen. Dadurch entfällt die Arbeit der Übersetzung der Informationen von einer Zeichnung in eine nachgeschaltete Software, wodurch die Effizienz steigt und die Fehlerquote sinkt.

Laut einer Studie des National Institute of Standards and Technology (NIST) kann MBD den Prozess vom Entwurf über die Fertigung bis zur Prüfung um 78,4 Prozent verkürzen.

Quelle: PTC, Ebook „Die Vorteile von MBD-Initiativen für Modellbasierte Definitionen“

Dadurch profitieren alle der Konstruktion nachgelagerten Prozesse. Insbesondere die Fertigung mit der Arbeitsvorbereitung und die NC-Programmierung. Die größten Vorteile sind im Bereich der Anbindung der Messmaschine zur Qualitätskontrolle des gefertigten Bauteils zu erkennen. Darüberhinaus ergeben sich Vorteile der Automatisierung von Planungs- und Fertigungsabläufen – nicht nur Firmenintern, sondern auch in der Anbindung von Zulieferketten.

Wie MBD in Creo funktioniert

In Creo sind alle Funktionen zur Erstellung der geometrischen Merkmale und Produktfertigungsinformationen integriert. Die Benutzeroberfläche wurde im Bereich der 2D-Zeichnungserstellung und im 3D-MBD-Bereich identisch gestaltet. Darüber hinaus wird der Konstrukteur mit „Combined Views“ unterstützt, die im 3D-Modell eine zeichnungsähnliche Darstellung mit allen Informationen erlauben.
Als Kontroll- Ausbildungswerkzeug dient in Creo auch die Erweiterung „GD&T Advisor“. Dies ermöglicht dem Konstrukteur, alle Informationen schneller und fehlerfrei zu erzeugen. Der Advisor gibt während der Konstruktion Hilfestellung und weist zeitgleich auf Fehler oder unvollständige Beschreibung hin.

Mehr Infos zu Creo GD&T Advisor Extension.

Ergebnis: was bei MBD raus kommt

MBD ermöglicht digitale zeichnungslose Prozesse, da die Zeichnung nicht mehr die vorrangige Informationsquelle ist. Dennoch können Anwender auch Zeichnungen erstellen, wenn die Lieferkette dies erfordert. Anstelle eines PDFs ist das primäre Arbeitsergebnis von MBD das technische Datenpaket (TDP): ein Satz elektronischer Dateien, der Folgendes enthalten kann:

Das Modell entweder in seinem nativen Format oder im CAD-neutralen Step-AP242-Format,

die Stückliste im Excel- oder CSV-Format, die von anderer Software genutzt werden kann und

andere zugehörige elektronische Dateien wie Notizen, Schaltbilder und Dokumente zur Erstmusterprüfung (FAI).

Die Hauptelemente von MBD im CAD-Modell sind:

Anmerkungsebenen, um die Platzierung und Ausrichtung der Details zu definieren.

3D-Anmerkungen für Produkt und Fertigungsinformationen

Kombinations-Zustände, um die 3D-Anmerkungen übersichtlich zu gestalten und zu organisieren. Diese beinhalten auch Explosionszustände, Querschnitte, vereinfachte Darstellungen, Darstellungszustände oder Stilzustände.

Ergänzendes zum Thema

Drei Fragen an Christoph von Andrian-Werburg, CAD-Experte bei PTC

Herr von Andrian-Werburg, bedeutet MBD Mehrarbeit für Konstrukteure und verändern sich ihre Workflows dadurch?

Im Prinzip hat der Konstrukteur den gleichen Aufwand. Die Informationen müssen entweder auf die 2D-Zeichnung oder in das 3D-Modell. Durch die Verwendung des GD&T-Advisors in Creo ist er aber schneller, da quasi ein intelligentes Normenbuch im System parallel unterstützt und überprüft, ob das Bauteil normgerecht spezifiziert ist. Oft ist MBD auch der Kernaspekt einer „3D-Master“ oder „Master-Modell“-Initiative. Damit ändern sich entscheidende Workflows und Arbeitsweisen. Die beteiligten Anwender müssen diesen Prozess mittragen, da speziell in der Konstruktion neue Arbeitsweisen durch die Anwendung der GPS-Normen nötig werden. Eine 3D-Konstruktion muss nicht nur zeichnungsgerecht erstellt sein, sondern das echte Funktionsmodell mit allen Fertigungsinformationen enthalten.

Ist dieses Vorgehen Konstrukteuren in die Wiege gelegt, salopp ausgedrückt?

MBD geht einher mit der GPS-Normenreihe. Diese basiert mehr auf Form- und Lagetoleranzen, als auf den bisher mehr verwendeten Maß-Toleranzen. Dies muss der Anwender lernen. Schulungen sind also eher im Bereich der GPS-Normen nötig, als im Bereich der Systembedienung. Durch die integrierten GPS-Normen des GD&T Advisors kann die GPS-Schulung für Creo-Anwender allerdings verkürzt werden.

Ist das Ganze noch reine Zukunftsmusik?

Jeder größere Creo-Kunde hat heute eine MBD-Initiative oder Projekt in unterschiedlichen Reifegraden am Laufen. Die bereits bekannten Effizienzsteigerung bewegen sich zwischen „schwindelerregend“ und 90 % verkürzten Durchlaufzeiten bei der Anbindung von Creo zur Messmaschine, zum Beispiel über Zeiss „Calypso“. Wer bei MBD auf die Zukunft wartet, ist jetzt schon zu spät dran.