Systems Engineering Zukunftsfähige Konstruktionsmethodik für den Maschinen- und Anlagenbau

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Modellbasiertes Systems Engineering – kurz MBSE – gilt als neue und vielversprechende Konstruktionsmethodik für den Maschinen- und Anlagenbau. Mit ihr ist es möglich, Entwicklungszeiten zu reduzieren und die Vorteile der Mechatronik auszuschöpfen. Ein Querschnittsprojekt des Technologienetzwerkes „it´s OWL“ hat zum Ziel, diese Entwicklung voranzutreiben und nutzbar zu machen.

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Der Blick aufs Ganze: Mit Systems Engineering steht dem Konstrukteur eine neue Konstruktionsmethodik zur Verfügung.
Der Blick aufs Ganze: Mit Systems Engineering steht dem Konstrukteur eine neue Konstruktionsmethodik zur Verfügung.
(Bild: Fraunhofer-IPT)

Mit „Systems Engineering“ oder „Model-based Systems Engineering“ (MBSE) steht den Konstrukteuren eine Methodik zur Verfügung, die sich vor allem für mechatronische Systeme bestens eignet. Sie beruht darauf, dass nicht die einzelnen Gewerke Schritt für Schritt und unabhängig voneinander entwickelt werden. Vielmehr wird zu Beginn der Konstruktionsarbeit ein Systemmodell erarbeitet, das den gesamten Entwicklungsprozess begleitet. Dieses Modell ist und bleibt Grundlage für die Arbeit der einzelnen Konstruktionsdisziplinen – über den gesamten Entwicklungsprozess hinweg –, und in ihm sind bereits alle Schlüsselanforderungen an das zu konstruierende Produkt festgeschrieben.

Im Technologie-Netzwerk Intelligente Technische Systeme Ost Westfalen Lippe (kurz: it's OWL) haben sich insgesamt 174 Unternehmen, Hochschulen, Forschungseinrichtungen und Organisationen zusammengeschlossen, um gemeinsam den Innovationssprung von der Mechatronik zu intelligenten technischen Systemen zu gestalten.

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Das Technologie-Netzwerk stellt sich vor:

Eines der Querschnittsprojekte des Technologienetzwerkes hat zum Ziel, das modellbasierte Systems Engineering voranzutreiben und nutzbar zu machen.

Übergreifende Entwurfssystematik

Diese Verfahrensweise bietet unter anderem den Vorteil, dass alle am Prozess Beteiligten stets auf dieses Systemmodell und somit auf einen einheitlichen Projektstatus zurückgreifen können. Das gilt insbesondere für die Konstrukteure der einzelnen Gewerke, die üblicherweise autark mit jeweils spezifischen CAE-Werkzeugen arbeiten. Es gilt aber auch für die anderen „Stakeholder“ des Prozesses wie beispielsweise Einkäufer, Produktionsplaner, Sicherheitsexperten und den letztlichen Anwender der Maschine.

Vorteile für die gewerkeübergreifenden Konstruktion

Nicht zu unterschätzen ist der Nutzen von MBSE im Hinblick auf die interdisziplinäre bzw. gewerkeübergreifende Konstruktion. Nach dem Grundsatz: „Das ganze (System) ist mehr als die Summe seiner Teile“ kann eine ganzheitliche, die Grenzen der Einzelgewerke überschreitende Konstruktion zu verbesserten oder gar neuen Produkteigenschaften führen bzw. eine deutlich optimierte Maschinenkonstruktion zur Folge haben.

Das Systemmodell wächst mit dem Konstruktionsfortschritt

Ein weiterer Vorteil des MBSE: Das Systemmodell, das quasi mit dem Konstruktionsfortschritt „wächst“, kann auch für die Dokumentation und Instandhaltung, d.h. über den gesamten Produktlebenszyklus der Maschine, genutzt werden. Alle Revisionsstände werden ebenfalls dokumentiert, so dass auch während des Maschinenbetriebs stets ein aktuelles Modell der Maschine zur Verfügung steht.

Diese Vorgehensweise ist bereits bewährt in der Entwicklung und Konstruktion von komplexen Systemen z.B. der Luft- und Raumfahrttechnik. Das Querschnittsprojekt Systems Engineering des Technologie-Netzwerkes „it‘s OWL“ hat zum Ziel, die Prinzipien des MBSE auf den Maschinen- und Anlagenbau zu übertragen und im Sinne des Technologietransfers dort einzusetzen.

Projektpartner aus der Forschung

Partner dieses Projektes sind die Fraunhofer-Projektgruppe Entwurfstechnik Mechatronik sowie sechs weitere Forschungsinstitute in OWL. Ganz konkret erarbeiten diese Partner ein Instrumentarium für die fachdisziplinübergreifende Entwicklung intelligenter Produkte und Produktionssysteme. Zu den Disziplinen, deren Entwurfsaktivitäten im System abgebildet werden, gehören der Maschinenbau (Mechanik), die Elektrotechnik, die Software-Entwicklung und die Regelungstechnik.

Auf dieser Grundlage werden im Rahmen des Projekts Methoden zur Sicherung der Vereinbarkeit unterschiedlicher Modelle entlang der gesamten Produktentstehung erarbeitet. Modellbasierte Synthese- und Analysemethoden, wie z.B. Fehlerbaum- und Risikoanalyse, sichern die spezifizierten Systemeigenschaften. Leitfäden, Werkzeuge und ein Wissenscluster bieten den Unternehmen dazu praxisnahe Unterstützung.

Technologietransfer in verschiedene Branchen

Die Ergebnisse werden von den Clusterunternehmen validiert und in Projekten eingesetzt, zum Beispiel bei der Entwicklung eines intelligenten KFZ-Scheinwerfers oder bei der intelligenten Verarbeitung von Großbauteilen. Die Projektergebnisse ermöglichen es den Unternehmen, mechatronische Systeme effizient und effektiv zu entwickeln. Entwicklungszeiten werden verkürzt, Abstimmungsbedarfe und nachträgliche Änderungen entfallen und die Produktqualität steigt – mit dem Ergebnis, dass sich die Wettbewerbsfähigkeit der teilnehmenden Unternehmen, die modellbasiertes Systems Engineering einsetzen, verbessert.

Mechatronik-Roadmap für die intelligente Armatur

Über Transferprojekte werden die Ergebnisse weiteren Unternehmen des produzierenden Gewerbes zugänglich gemacht. Das Spektrum der Unternehmen, die an der Erprobung dieser innovativen Konstruktionsmethodik interessiert sind, ist weit gefächert. Beispielsweise erarbeiten die Projektpartner mit einem Hersteller von Druckluftkompressoren Ansätze für die integrative Konzipierung einer neuen Kolbenkompressoren-Baureihe.

Ein Armaturenhersteller verbessert mit einer Mechatronik-Roadmap für die intelligente Armatur seine Entwicklungsprozesse. Weitere Transferprojekte haben u.a. die virtuelle Inbetriebnahme eines Fertigungszentrums zum Inhalt sowie das Systems Engineering einer Profilummantelungsanlage und die Prozessoptimierung von Neuanläufen in der mechatronischen Verbindungstechnik.

Von 3D-CAD zu MBSE

Nach Einschätzung der Partner im it´s OWL-Querschnittsprojekt „Systems Engineering“ wird sich das modellbasierte Systems Engineering im Maschinen- und Anlagenbau in Zukunft ähnlich durchsetzen, wie vor wenigen Jahren das dreidimensionale Konstruieren (3D-CAD). Das Projekt hat zum Ziel, diese Entwicklung voranzutreiben. Die beteiligten Unternehmen werden davon profitieren, indem sie ihr „time to market“ reduzieren und die Vorteile der Mechatronik in ihren Konstruktionen voll ausschöpfen können. Auf diese Weise werden effizientere, leistungsfähigere und flexiblere – mit einem Wort: außerordentlich – wettbewerbsfähige Maschinen und Anlagen entstehen.

Damit ist das Systems Engineering ein wichtiger Bestandteil von it´s OWL, und deshalb ist es auch Gegenstand des Querschnittsprojektes in einem Technologie-Netzwerk, das als eine der größten Initiativen für Industrie 4.0 in Deutschland gilt. (mz)

Hannover Messe 2015: Halle 16, Stand A04

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