Grundlagen und Einsatzgebiete von Digital Engineering Visualization (DEV)

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Datenformateverzeichnis

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Engineering Collaboration
2.2 Visualisierung
2.3 Entwicklung der Produktvisualisierung

3 Stand der Forschung
3.1 Digital Engineering Visualization (DEV)
3.1.1 Definition
3.1.2 Motivation und Nutzen
3.1.3 Nachteile und Risiken
3.1.4 Voraussetzungen
3.1.5 Standardisierung
3.1.6 Standardisierungsorganisationen und Vorhaben
3.1.7 PMI und Nutzen
3.1.8 Datenaustauschformate
3.1.8.1 JT
3.1.8.2 3D-PDF
3.1.8.3 STEP
3.1.8.4 3D-XML
3.1.9 Datenverwaltung
3.2 Abgrenzung zu DMU
3.3 Abgrenzung zu anderen Produktvisualisierungsformen

4 Stand der Technik
4.1 Siemens PLM Software
4.1.1 CAD
4.1.2 PLM unterstützende Systeme
4.2 Dassault Systèmes
4.3 Autodesk
4.4 PTC - Parametric Technology Corporation
4.5 Weitere Software

5 Fallbeispiel

6 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Anwendungsfälle - [VDA07a]

Abbildung 2: Entwicklung der Produktvisualisierung - nach [Kla08]

Abbildung 3: Produktdatennutzung - [Rie09]

Abbildung 4: Ein Beispiel für ein 3D Modell mit PMI - [Yun06]

Abbildung 5: Prozessbrüche am Beispiel Toleranzmanagement - nach [Ber10]

Abbildung 6: Ergebnis der Arbeitsgruppe DEV (2006) - [Yun06]

Abbildung 7: Modell mit allen Notierungen - [DIN08]

Abbildung 8: JT-Inhalt - [Kla08]

Abbildung 9: „PLM XML“ Inhalt - [Sie11a]

Abbildung 10: HD3D - [Sie10]

Abbildung 11: Zeitersparnis durch DEV bei Honda - [Win10]

Abbildung 12: JT-Pipeline - [Dei07]

Abbildung 13: Formtoleranzen - [DIN08]

Abbildung 14: Lagetoleranzen - [DIN08]

Abbildung 15: Profiltoleranzen - [DIN08]

Abbildung 16: Positionstoleranzen - [DIN08]

Abbildung 17: Lauftoleranzen - [DIN08]

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vergleich der Dateiformate

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Datenformateverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die zunehmende Globalisierung stellt die heutige Produktentwicklung vor viele neue Probleme und Herausforderungen, die zu drastischen Veränderungen in den Unternehmen führen. Hinzukommend haben sich die Rahmenbedingungen in den letzten Jahren vielschichtig verändert. [Gri10] Auf Grund der Diversifizierung der Produktpalette und der Individualisierung der Produkte durch den Wandel vom Verkäufer- zum Käufermarkt, steht vor allem die Entwicklung und das produzierende Gewerbe vor Herausforderungen. Es müssen Möglichkeiten gefunden werden, um die „wesentlich häufiger anfallenden und zunehmend komplexeren Planungsaufgaben“ [Gri10] zu bewältigen. Des Weiteren konzentrieren sich die Unternehmen verstärkt auf ihre Kernkompetenzen und gehen Kooperationen mit anderen Unternehmen ein. Outsourcing führt zur Bildung von Unternehmensnetzwerken sowohl innerhalb eines, als auch zwischen verschiedenen Unternehmen.

Dazu kommt ein Komplexitätsanstieg der Produkte. Ein Beispiel hierfür ist die Mechatronik, bei der Komponenten von drei verschiedenen Domänen (Mechanik, Elektronik, Informationstechnik) verknüpft werden. Die Situation ist nicht neu und unkontrollierbar geworden, aber komplexer, vernetzter und weniger transparent. [Pro10] Somit führt die neue, globale und vernetzte Situation zu einer neuen Form der Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Unternehmen und Abteilungen. Um die Situation zu beherrschen, sind der Einsatz von rechnergestützten Werkzeugen und Methoden erforderlich. [Die11]

Eine Lösungsmethode besteht im Austausch von Produktdaten und ihrer Visualisierung. Ziel dieser Arbeit ist es, die Umsetzung einer solchen Lösung zu beschreiben, die Digital Engineering Visualization (DEV). Um die DEV besser zu verstehen, ist es ratsam zunächst den Hintergrund und die Grundlagen zu betrachten. Daher werden in Kapitel 2 zunächst die Grundlagen erklärt, bevor ab Kapitel 3 Schritt für Schritt auf die Technologien und Methoden der DEV eingegangen wird. Kapitel 2 gliedert sich in den Hintergrund der DEV, gefolgt von einer Definition des Begriffes Visualisierung, auf dem das Thema aufbaut, und einer kurzen Beschreibung der Entwicklung der Konstruktionsmethodik mit ihren Präsentationsformen.

Ausgehend von diesen Grundlagen wird in Kapitel 3 dann explizit das Thema der DEV und der Stand der Forschung analysiert. Zunächst wird die DEV definiert und ihr Nutzen, aus dem sich ihre Voraussetzungen ableiten lassen, mit Vor- und Nachteilen erläutert. Darauf folgen zwei Unterkapitel zur Standardisierung. Dabei befasst sich Ersteres allgemein mit der Standardisierung, wohingegen im Zweiten die Organisationen, die sich mit Themen der DEV befassen, kurz dargestellt werden. Die letzten drei Unterpunkte gehen auf den aktuellen Forschungsstand ein. Genauer werden hier die Themen „Product and Manufacturing Information“ (PMI), Datenformate und Datenverwaltung behandelt. Bei den Datenformaten werden die Formate JT, 3D-PDF, STEP und 3D-XML betrachtet. Abschließend folgt eine Abgrenzung der DEV zum „Digital Mock-Up“ (DMU) und zu anderen Produktvisualisierungsformen.

Wie die geforderten Technologien und die entwickelten Standards in aktuellen Softwareprodukten umgesetzt werden, wird in Kapitel 4 beschrieben. Dabei werden vor allem die großen und weit verbreiteten Softwarehäuser Siemens PLM Software, Dassault Systèmes, Autodesk und PTC analysiert.

In Kapitel 5 wird die DEV an Hand einiger Beispiele, an denen der Stand der Technik betrachtet wird, nochmals erläutert. Anschließend wird die Arbeit in Kapitel 6 mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf die sich ergebenden Möglichkeiten abgeschlossen.

2 Grundlagen

Grundlagen der DEV sind vor allem das in 2.1 beschriebene Engineering Collaboration und die Visualisierung, welche in 2.2 definiert und zur Simulation abgegrenzt wird. Den Übergang zur DEV bildet der Punkt 2.3 mit einer Beschreibung der Entwicklung der Produktvisualisierungsformen.

2.1 Engineering Collaboration

Wie in der Einleitung erwähnt, stehen die Ingenieure der Produktentwicklung vor einer großen Herausforderung. Die Planung und Konstruktion von Produkten wird nicht mehr nur von einigen Ingenieuren bearbeitet, sondern in einem ganzen Team, das durch andere Abteilungsmitglieder und vor allem den Kunden ergänzt wird, wodurch Kommunikation auch über Unternehmensgrenzen hinweg stattfindet. Des Weiteren müssen die Ideen und Modelle der Entwicklung oder der Designer mit anderen Abteilungen wie der Produktion oder dem Vertrieb kommuniziert werden. Somit finden die Entwicklung, die Produktion, der Vertrieb und damit auch die Kommunikation heute in einem globalen Netzwerk statt. Diese übergreifende Zusammenarbeit nennt man Engineering Collaboration.

Ein einfaches, kurzes Beispiel soll die Wichtigkeit des Informationsaustausches und der Zusammenarbeit zeigen: Während der Konstruktion achten Ingenieure oder technische Zeichner auf die erlernten Gestaltungsrichtlinien, um die Montagefähigkeit zu gewährleisten und zu optimieren. Jedoch lässt sich nicht alles Geplante mit den maschinellen Gegebenheiten im Unternehmen umsetzen. Daher ist eine enge Zusammenarbeit mit den nachgelagerten Bereichen notwendig, um die Möglichkeiten der Herstellbarkeit zu ermitteln. Dieses Vorgehen nennt man auch „Design for Manufacture and Assembly“. [Gus10]

Collaboration ist in den letzten Jahren zu einem zentralen Thema geworden, da Teamarbeit wichtig ist. Teamarbeit ist heutzutage „der Schlüssel zum Erfolg in der Produktentwicklung und zugleich seine Achillesferse, denn um effizient zusammen arbeiten zu können, müssen Menschen kontinuierlich Ideen und Informationen austauschen“ [IPE09]. Dabei verfolgen die Teams Ziele wie die Verkürzung der Time to Market, Senkung der Kosten, Verbesserung der Qualität und der innovativen Fähigkeiten, um konkurrenzfähig zu bleiben [Pro07]. Allerdings führt Engineering Collaboration durch die steigende Anzahl von Kooperationspartnern und die globale Vernetzung „zu einem vielschichtigen Komplexitätsanstieg“ [Pro05].

Um die Zusammenarbeit zu fördern und die Komplexität zu beherrschen, „ist eine IT-basierte Vernetzung aller Aufgaben, Informationen, Daten und Softwarewerkzeuge von der Produktentstehung über die Produktionsplanung bis hin zum Fabrikbetrieb anzustreben“ [Die11]. Diese Vernetzung beinhaltet auch den Austausch von speziellen Visualisierungsdaten, auf die später genauer eingegangen wird [Pro07]. Zu diesem Thema wurden im VDA und ProSTEP iViP-Vereinsprojekt eine Studie unter dem Namen „Collaborative Product Visualization“ (CPV) durchgeführt und 2006 abgeschlossen. In der Studie wurden „firmenübergreifende Anwendungsfälle für den Visualisierungsdatenaustausch definiert und harmonisiert“ [Pro07a]. Die Ergebnisse der Anwendungsfälle wurden in einer ProSTEP iViP Recommendation PSI2 bzw. der VDA Richtlinie 4966 zusammengetragen. Die Vereine mit ihren Zielen werden in 3.1.6 im Zusammenhang mit der Standardisierung näher erläutert. [VDA07b] [Pro07a]

Abbildung 1 veranschaulicht die fünf Anwendungsfälle, in denen Datenzugriff und Datenaustausch von digitalen Produktmodellen die Kommunikation und den Informationsfluss vereinfachen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Anwendungsfälle - [VDA07a]

Man kann diesen Wandel der Produktentstehung auch als einen Wandel hin zur Prozessorientierung beschreiben. Die heutige Entwicklung von Produkten setzt sich aus verschiedenen Disziplinen zusammen, die alle eine Datengrundlage benötigen. [Sen07] Die Kommunikation wird einfacher, wenn alle Beteiligten auf ein standardisiertes, virtuelles Produktmodell zugreifen können, von dem sie alle nötigen Informationen erhalten.

Dass dies noch nicht der Fall ist, zeigt die E-BUSINESS W@TCH Studie bei Automobilunternehmen aus dem Jahre 2005. „Der Austausch von CAD-Daten bzw. technischen Zeichnungen erfolgte nur in 23 bzw. 29 % der Fälle mit Hilfe standardisierter Abläufe.“ Weiterhin ergab die Studie, dass nur „51 % Collaboration Engineering Systeme“ verwenden, wobei es ein Gefälle von Großkonzernen zu KMUs gibt. Allgemein ist der Einsatz „zwischenbetrieblicher Datenaustauschsysteme in der Automobilindustrie stark verbreitet“, wozu in dieser Branche allerdings eigens entwickelte Plattformen eingesetzt werden, „die Schnittstellen^[1] zwischen internen PLM-Systemen und den Lieferantensystemen beinhalten“. Die Studie ist zwar schon einige Jahre alt, verdeutlicht aber doch, dass ein enormes Verbesserungspotential beim Datenaustausch und der Collaboration vorhanden ist. Denn wie sich der Quelle zu dieser Studie entnehmen lässt, hat sich bis zum Jahre 2009 noch nicht viel in diesem Bereich verändert. [Rie09]

2.2 Visualisierung

Bevor der Austausch von Daten und deren Visualisierung analysiert wird, soll zunächst verdeutlicht werden, was Visualisierung speziell im Kontext der Produktentwicklung und Fertigung bedeutet. In der VDI 3633 wird Visualisierung folgendermaßen definiert:

„Die Visualisierung umfasst die Erzeugung der grafischen Veranschaulichung von Daten und Sachverhalten durch Transformation von Daten in symbolische und geometrische Information.“ [VDI09]

Eine andere Beschreibung des Begriffes ist, dass Visualisierung eine Methode zur Repräsentation von großen Mengen komplexer Daten bietet, um diese besser verständlich und analysierbar zu machen, aber auch um eine bessere Entscheidungsgrundlage zu bekommen. [StJ07] Analysierbar werden die Daten vor allem dadurch, dass die Visualisierung die Möglichkeit bietet, mit den Daten zu interagieren. Das bedeutet, dass man Ansichten zum visualisierten Modell verändern (z.B. zoomen, drehen) kann, ohne die Quelldaten zu verändern. Hierdurch wird das Verständnis komplexer Sachverhalte gefördert und Zusammenhänge deutlich gemacht. [Vis12]

„Grundsätzliche Ziele sind […] eine hohe Anschaulichkeit des Modells und die Bildung einer gemeinsamen Kommunikationsgrundlage der beteiligten Personen. Die Visualisierung hat somit einen hohen Stellenwert als interdisziplinäres Kommunikationsinstrument für Planer, Betreiber, Lieferanten und weitere Beteiligte des Planungsprozesses.“ [VDI09]

Um Verwechselungen zu vermeiden, ist es nötig in diesem Kontext ebenfalls auf die Simulation einzugehen. Bildet die Visualisierung eine statische Präsentation von betrachteten Daten, so bildet die Simulation einen bewegten Zustand ab. Ebenfalls nach VDI 3633 ist Simulation wie folgt definiert:

„Simulation ist das Nachbilden eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierbaren Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind. Insbesondere werden die Prozesse über die Zeit entwickelt.“ [VDI10]

Zusammenfassend wird durch die Visualisierung von Daten der Informationsfluss verbessert und die Kommunikation erleichtert. Vor allem im Hinblick auf die Engineering Collaboration bietet die Visualisierung somit ein enormes Verbesserungspotential für die Darstellung von technischen Produkten und Informationen.

2.3 Entwicklung der Produktvisualisierung

Im folgenden Abschnitt wird eine kurze Zusammenfassung der Entwicklung der Konstruktionsmethoden und deren Visualisierung gegeben, um das Potential der Visualisierung von Produkten und ihren Daten besser erkennen zu können. Die Abbildung 2 veranschaulicht die Entwicklungsschritte der Produktvisualisierung von früher bis heute und gibt einen Ausblick in die Zukunft.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Entwicklung der Produktvisualisierung - nach [Kla08]

Angefangen hat die Konstruktion mit 2D-Zeichnungen auf Papier, die auf einem Zeichenbrett manuell angefertigt wurden. Mit der Einführung von PCs und passender 2D-CAD Software vor rund 30 Jahren wurde das Zeichenbrett digitalisiert. Änderungen und Vervielfältigungen wurden deutlich vereinfacht und konnten schneller durchgeführt werden. Weiterentwicklungen der Hardware und Verbesserungen der 3D-CAD Software am Anfang dieses Jahrtausends machten den Übergang zur Verwendung von 3D-CAD möglich. 3D-Modelle setzten sich in den letzten Jahren durch und mittlerweile arbeiten fast alle Unternehmen mit diesen Systemen, da 3D eine „anschaulichere und vollständige Darstellung“ [Gri10] bietet. Die Darstellung ist aber nicht der einzige Vorteil von 3D. Denn durch 3D existieren bereits früh virtuelle Modelle des geplanten Produktes und es besteht die Möglichkeit, Zusammenbauten zu erstellen oder Funktionstests durchzuführen. Zeichnungen sind jedoch nach wie vor aktuell. So werden aus den 3D-Modellen automatisch 2D-Zeichnungen abgeleitet und mit allen weiteren Informationen wie Maßen, Toleranzen oder Beschriftungen versehen. Es existiert so immer ein 3D-Modell und die dazugehörige 2D-Zeichnung mit allen fertigungsrelevanten Informationen. Dieses Vorgehen ist seit Jahren Standard bei den Unternehmen. [Sen07]

Die Idee zur Umsetzung eines digitalen Prototyps besteht seit der fortschreitenden Einführung von 3D-CAD. Grundlage dieses digitalen Prototyps bildet ein Datenmodell, welches Produkt- und Prozessdaten enthält, so dass alle Produktinformationen mit dem 3D-Modell verknüpft sind. Man spricht hierbei auch von einem Digitalen Master. [Kla04] [Dei07] [Sen07]

Das Konzept des 3D-Masters bietet darüber hinaus die Möglichkeit, alle weiteren Schritte (z.B. NC-Programmierung) von einem Modell abzuleiten. Erste Umsetzungen eines 3D-Masters, die es ermöglichen weitere Informationen am 3D-Modell anzubringen, sind seit einiger Zeit verfügbar. Ein Problem bei der Einführung eines solchen Prototyps sind jedoch die zahlreichen Systeme, die das Datenmodell verarbeiten müssen und Datenformate, die die Informationen transportieren können (vgl. Kapitel 3.1.8). Als Zwischenschritt zur DEV wird heute aus dem 3D Master eine Zeichnung als Kommunikationsmittel abgeleitet, welche bereits weitere fertigungsrelevante Informationen enthalten kann. Auf Grund fehlender Standards müssen die abgeleiteten Zeichnungen jedoch fast immer noch überarbeitet werden. [Tan08]

3 Stand der Forschung

Aus dem Entwicklungsprozess hin zur DEV lässt sich erkennen, dass immer häufiger mit dreidimensionalen Modellen gearbeitet wird und diese stetig vollständiger werden. Dies bietet viele Vorteile und es stellt sich die Frage, ob die 2D-Zeichnung überhaupt noch erstellt werden muss. Diese Frage wird im folgenden Kapitel erörtert. Zunächst wird in 3.1 die DEV definiert, der Nutzen geklärt, die Vor- und Nachteile aufgeführt, die Voraussetzungen beschrieben und deren Standardisierung analysiert. Zu den Standards zählen PMI, Datenformate und Datenverwaltung. Im Anschluss folgt in 3.2 eine Abgrenzung zur DMU und in 3.3 eine Abgrenzung der DEV zu anderen Visualisierungsformen.

3.1 Digital Engineering Visualization (DEV)

Die Komplexität der Produkte steigt und lässt sich in vielen Fällen nicht mehr in technischen Zeichnungen darstellen oder ist daraus nicht mehr für jeden zu erkennen. Darüber hinaus wird es immer wichtiger im gesamten Produktlebenszyklus auf Daten zugreifen zu können, die eine geometrisch vollständige Beschreibung enthalten und die für alle Beteiligten verfügbar und verständlich sind. [Sen07] Dazu zeigt Abbildung 3 die durchgehende Nutzung der Produktdaten von der Erstellung im Design bis zum Qualitätscheck vor der Auslieferung an den Kunden. Es ist wichtig Mitarbeitern die „richtigen Daten zur richtigen Zeit im richtigen Format zur Verfügung“ [Die11] zu stellen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Produktdatennutzung - [Rie09]

[...]

^[1] „Eine Schnittstelle ist ein System von Bedingungen, Regeln und Vereinbarungen, das den Informationsaustausch zweier oder mehrerer miteinander kommunizierender DV-Systeme oder System-Komponenten festlegt.“ [Kat12]