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Smarte CAD-Modelle für smarte Produkte

Von Hartwig Dümler

Smarte Produkte zu entwickeln erfordert nicht nur smarte Entwicklungswerkzeuge, sondern auch smarte Anwender, die in der Lage sind, die „Intelligenz“ dieser Werkzeuge auszuschöpfen und damit smarte Produktmodelle zu erzeugen. Sonst bleibt der Digital Twin ein digitaler Frankenstein. Deshalb müssen die Unternehmen der Konstruktionsmethodik mehr Beachtung schenken.

In der schönen neuen Welt der Produktentwicklung von morgen kommt der Konstrukteur nicht mehr vor oder er wird zum Erfüllungsgehilfen des Computers degradiert, der ausgehend von ein paar Parametern topologisch optimierte Bauteile kreiert, die mit Hilfe additiver Fertigungsverfahren hergestellt werden. Die Gegenwart sieht jedoch anders aus: Die CAD-Spezialisten von PROSTEP unterstützen namhafte Kunden seit Jahren dabei, ihre CAD-Modelle so intelligent aufzubauen, dass sie sich schnell und flexibel an neue Randbedingungen anpassen lassen oder für Folgeprozesse wie die CAE-Berechnung durchgängig genutzt werden können. Es rächt sich, dass viele Unternehmen die Methodik-Ausbildung ihrer Anwender seit Jahren vernachlässigen, wenn sie die Konstruktion nicht gleich an Indien oder andere Offshore-Paradise outsourcen.

Seit vielen Jahren werden in den Unternehmen 3D-Modelle oft ohne klare Vorgaben und nur mit dem Ziel aufgebaut, eine Fertigungszeichnung abzuleiten. Mit Blick auf Additive Manufacturing (AM), aber auch für die Etablierung zeichnungsloser Prozesse durch Nutzung von PMIs (Product Manufacturing Information) müssen die Modelle jedoch korrekt und vollständig sein. Neue Werkstoffe und additive Fertigungsverfahren verändern außerdem die Art, wie sie aufgebaut sein können. Der Nutzen von AM liegt vor allem in den erweiterten Möglichkeiten der Produktgestaltung, nicht so sehr im Fertigungsverfahren.

Produktarchitekturen überdenken

Smarte Produktmodelle sind die Basis für eine durchgängige Digitalisierung der Geschäftsprozesse. Sie transportieren alle fertigungs- und servicerelevanten Informationen, die in den späteren Phasen des Lebenszyklus benötigt werden. Der digitale Master ist sozusagen die Basis des Digital Twins im Sinne eines vollständigen Abbilds der ausgelieferten Produktkonfiguration, der mit Hilfe von Sensordaten aus dem Feld Leben eingehaucht werden kann. Dieses erweiterte Rollenverständnis muss beim Aufbau der CAD-Modelle respektiert und gewürdigt werden, sonst steht der digitale Zwilling hinterher auf wackeligen Beinen. Die Unternehmen müssen deshalb mehr Zeit und Intelligenz in den Aufbau und die Absicherung ihrer CAD-Modelle investieren, um den Änderungsaufwand in späteren Entwicklungsphasen zu minimieren.

Hohe Produktkomplexität und Variantenvielfalt bei kürzer werdenden Entwicklungszyklen und steigendem Kostendruck stellen die Unternehmen vor die Aufgabe, ihre Produktarchitekturen grundlegend überdenken. Das gilt auch und vor allem für die mechanischen Komponenten. Sie müssen ihre Produkte stärker modularisieren, um schnell auf kundenspezifische Anforderungen reagieren zu können. Sie müssen sich Gedanken darüber machen, welche Bauteile sie eventuell zusammenfassen und mit Hilfe additiver Fertigungsverfahren aus einem Stück drucken oder sintern können. AM bietet ihnen zugleich die Möglichkeit, die Bauteile geometrisch ganz anders auszulegen, um Material und Gewicht zu sparen. Dafür sollten die Modelle aber so aufgebaut sein, dass sie mit Hilfe von CAE-Verfahren simuliert und optimiert werden können.

Gerade Themen wie Additive Manufacturing, oder Digital Twin zwingen die Unternehmen dazu, sich noch mehr Gedanken darüber zu machen, wie sie ihre digitalen Produktmodelle aufbauen, um sie prozessdurchgängig nutzen zu können. Gängige CAD-Systeme wie PTC Creo oder Siemens NX bieten schon seit Jahren eine Vielzahl an Funktionen, um Fertigungsintelligenz oder Informationen für die rechnergestützte Auslegung in die Modelle einzubetten, die in der Praxis kaum genutzt werden. Der Einsatz eines parametrischen CAD-Systems erzeugt jedoch nicht automatisch smarte Produktmodelle.

Was macht ein CAD-Modell smart?

Smart bedeutet bei einem CAD-Modell, dass es die ihm zugedachte Funktion erfüllt, die natürlich von Bauteil zu Bauteil unterschiedlich ist und sich auch über den Lebenszyklus verändern kann. Für wiederkehrende Konstruktionsaufgaben sollte ein Unternehmen einheitliche Methoden etablieren. 

Ein klassisches Beispiel ist die Verwendung von assoziativ verknüpfter Roh- und Fertigteil-Geometrie bei Gussteilen, die es ermöglicht, die Rohteile fertigungsgerecht aufzubereiten und bei späteren Änderungen am Fertigteil gewissermaßen auf Knopfdruck zu aktualisieren. Das funktioniert besonders gut, wenn das smarte Produktmodell so aufgebaut ist, dass die Rohteilgeometrie in der Fertigteilgeometrie enthalten ist und somit ohne Zusatzaufwand ausgeleitet werden kann.

Wenn man ein Bauteil mit additiven Verfahren herstellen möchte, muss man – ähnlich wie bei einem Gussmodell – spezifische Regeln einhalten. Aufbaurichtung, Wandstärken, Bauteilschrägen und das Entpudern von Hohlräumen sind nur ein paar Beispiele. Die Modelle können geometrisch sehr komplex geformt sein. Um sie optimal aufzubauen, muss der Konstrukteur kein Fertigungsexperte sein, aber sich mit seinem CAD-System gut auskennen.

Neben seiner eigentlichen Tätigkeit, die darin besteht, ein funktionsfähiges Produkt zu erzeugen, wird der Konstrukteur immer mehr zum Dienstleister für nachgelagerte Prozesse, die für ihre Arbeit ein funktionierendes Produktmodell benötigen. Das ist nicht grundsätzlich neu, wird aber mit der Digitalisierung der Geschäftsprozesse immer wichtiger. Dem müssen die Unternehmen zum einen bei der personellen Ausstattung der Konstruktionsabteilungen und zum anderen bei der CAD-Ausbildung der Konstrukteure Rechnung tragen. Je früher die Anforderungen der nachgelagerten Bereiche berücksichtigt werden, desto besser lassen sich bestimmte Prozesse hinterher automatisieren.

Ein Beispiel mag das illustrieren: Die CAD-Spezialisten von PROSTEP haben für eine Fluiddynamik-Berechnung das CAD-Modell einer Injektionslanze einschließlich des umgebenden Luftraums so intelligent parametrisiert, dass der Berechnungsingenieur in kürzester Zeit Dutzende von verschiedenen Varianten rechnen und die ideale Geometrie für die optimale Mischung des Gas-Luftgemisches finden konnte. Dazu konnte er im CAD-Modell – ohne selbst CAD-Anwender zu sein – die definierten Parameter variieren. Berechnet wurden die Gas- und Luftströme zwar mit einem externen CAE-Tool, aber der Schlüssel zum Erfolg war das CAD-Modell, in dem alle Variationen abgebildet werden konnten.

Sowenig Referenzen wie möglich

Die parametrische Modelliertechnik ist Grundlage für die Erstellung smarter CAD-Modelle, hat aber ihre Tücken. Parametrische Modelle lassen sich nur dann sehr schnell ändern, wenn die gewünschten Änderungen von Anfang an vorgesehen wurden. Und es ist für andere Anwender manchmal schwierig, Modelle von Kollegen weiter zu entwickeln, wenn es in dem betreffenden Unternehmen keine einheitliche Arbeitsweise und Methodik gibt. In einem Modell die Konstruktionsabsicht und die sich daraus ergebenden Abhängigkeiten zu verstehen, erfordert Ausbildung, Erfahrung und idealerweise eine einheitliche CAD-Methodik im Unternehmen.

Die CAD-Spezialisten von PROSTEP schlagen bei der Parametrisierung eine pragmatische Herangehensweise vor: So wenig bauteilübergreifende Referenzen wie möglich, aber so viele wie nötig. Jeder Mausklick kann eine Referenz sein, die ihnen später Mühe macht. Deshalb achten sie bei jedem Feature darauf, wie wir es im Modell erzeugen. Um CAD-Modelle intelligent parametrisieren zu können, müssen vorher alle Randbedingungen wie Bauräume, geometrische Schnittstellen, bevorzugte Fertigungsmethode(n), erwartete Modifikationen und Varianten, Vereinfachung für Folgeprozesse geklärt sein. Falls sich die Randbedingungen oder Konstruktionsabsichten ändern, sollte die Modifikationen dort eingefügt werden, wo man sie eingefügt hätte, wenn man sie vorher gekannt hätte. So hält man das CAD-Modell schlank und performant.

Ein CAD-Modell einer komplexen Baugruppe so aufzubauen, dass es hinterher alle Anforderungen der nachgelagerten Prozesse erfüllt und auch bei Änderungen schnell angepasst werden kann, dauert unter Umständen Wochen und erfordert Iterationsschleifen. Ein Aufwand, der sich nicht bei allen Bauteilen lohnt. Die Unternehmen müssen sich also sehr genau überlegen, welche Produktmodelle wie smart werden sollen. Gerade bei Produkten, die in vielen kundenspezifischen Ausprägungen gebaut werden, ermöglicht eine konsequente Parametrisierung die schnelle Ableitung von Varianten. Mit Blick auf die Bereitstellung von Digital Twins dieser Varianten ist die Parametrisierung geradezu unverzichtbar. Die Unternehmen in Europa haben nur eine Chance, wenn sie diese neuen Themen mit den ihnen zur Fähigkeiten stehenden Möglichkeiten angehen. Dazu müssen sie jedoch mehr für die Befähigung ihrer Konstrukteure tun.

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