Produktionssysteme

‚Spielwiese’ für angehende Ingenieure

Obwohl die PDM/PLM-Technologie für mehr Effizienz im Entwicklungsprozess sorgt, wird sie im Rahmen der Ingenieursausbildung kaum gelehrt. Das zu ändern ist das Ziel des Contact-University-Programms von Contact Software. An der Fachhochschule Köln, der größten Fachhochschule Deutschlands, simulieren die Studenten im Masterstudiengang Maschinenbau jetzt mit der PDM/PLM-Software CIM Database das Ingenieurbüro des 21. Jahrhunderts.

Michael Wendenburg, Fachjournalist, Sevilla


Für Prof. Alexander Boryczko, Leiter des Studiengangs Maschinenbau, Studienrichtung Konstruktionstechnik, der seit 2007 das Fachgebiet Virtuelle Produktentwicklung (VPE) am Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik (IPK) der Kölner Hochschule leitet, ist der PDM/PLM-Einsatz Teil einer umfassenderen Vision, wie angehende Ingenieure auf die Herausforderungen der Arbeitswelt vorbereitet werden sollten. Kosten, Zeit und Qualität seien im globalen Wettbewerb die wichtigsten Herausforderungen, denen die Ingenieure bei der Produktentwicklung Rechnung tragen müssten. Um innovative Produkte schnell und kosteneffizient entwickeln zu können, müssten sie zum einen lernen, konstruktive Aufgaben unter Einbeziehung von Methoden wie Baukasten-, Baureihen- oder Plattform-Konstruktion und entsprechenden IT-Hilfsmitteln im Team zu lösen; zum anderen bräuchten sie mehr Berechnungs-Know-how, um die Produkte optimal auszulegen. „Konstruieren heißt im 21. Jahrhundert vor allem konfigurieren“, so Boryczko. „Nur durch mehr Effektivität und Effizienz in den standardisierbaren Prozessen gewinnen die Ingenieure Zeit für kreative Innovationen.“

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Der Studienplan im Fachgebiet VPE setzt deshalb zwei wesentliche Akzente: Im Bachelorstudium lernen die Studierenden nicht nur mit CAD zu konstruieren, sondern sie werden auch mit den Grundlagen der Berechnung und Simulation (etwa Mehrkörpersimulation, Strukturanalyse mit FEM oder Strömungssimulation mit CFD) sowie Ansätzen der Produktoptimierung vertraut gemacht. Im Masterstudium stehen Product Engineering mit fortgeschrittenen Anwendungen numerischer Strukturoptimierung (unter anderem Topologie-, Parameter- und Formoptimierung), neue Ansätze des CAE-driven Designs und Product Lifecycle Managements mit den Prozessen der Neu-, Anpassungs- und Variantenkonstruktion sowie dem Änderungsmanagement im Mittelpunkt der Ingenieursausbildung, um die im Bachelor erlernten Methoden zur Entwicklung hochwertiger Produkte aus Prozesssicht auch effektiv und effizient umzusetzen. Die Masterstudenten simulieren im Rahmen des Projekts ‚Ingenieurbüro 21‘ die typischen Abläufe einer methodischen, rechnerintegrierten Produktentwicklung mit PDM/PLM-Unterstützung in praxisnahen Szenarien. Zwei Aufgaben müssen die verschiedenen Teams bewältigen:

Eine Auftragsabwicklung mit kundenspezifischer Anpassungskonstruktion und

eine Konstruktionsänderung nach Produktfreigabe.

Die Umsetzung des Projektes erfolgt auf einer auf CIM Database (CDB) basierenden integrierten Plattform für virtuelle Produktentwicklung und Konstruktion.
Welche Bedeutung die PDM/PLM-Technologie für die Prozessunterstützung hat, erläutert Prof. Boryczko: „Konstruieren ist ein informationsverarbeitender Prozess, in dem verschiedene Akteure mit einem digitalen Datenmodell interagieren. Man braucht also eine Mittelschicht, um die Daten im Prozess bereitstellen und die im Prozess anfallenden Daten so abspeichern zu können, dass sie wieder auffindbar sind. PDM/PLM ist somit die Datendrehscheibe und Integrationsplattform, die eine effiziente und effektive Zusammenarbeit der einzelnen Fachgebiete im Ingenieurbüro des 21. Jahrhunderts sicherstellt.“ Die frei konfigurierbaren Workflows und Rechteprofile sowie die Zugriffskontrolle verwalteter Objekte sorgen für geordnete Prozessabläufe, die Versionierung und Revisionierung für Nachvollziehbarkeit und Transparenz der Produkthistorie.

Produktbaukasten in CDB abgebildet

Das IPK hat die wesentlichen Anforderungen an die PDM/PLM-Lösung spezifiziert und mit Unterstützung von Hersteller Contact Software umgesetzt. Die Konditionen des Hochschulprogramms Contact University (siehe Kasten) erleichterten dem Projektteam die Entscheidung für CDB, gaben aber nicht allein den Ausschlag. „Wir haben verschiedene CAD-neutrale Lösungen in Betracht gezogen“, erläutert Dipl.-Ing. Benjamin Christ, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Virtuelle Produktentwicklung am IPK und Systemadministrator für die Software. „Entscheidend für die Wahl von CDB waren die gute Anpassbarkeit der Software, das umfangreiche Klassifikationsmodul (SML) – mit der Möglichkeit der merkmalbasierten Suche – und das ausgefeilte Rechte-Management. Wir konnten dadurch beispielsweise sehr einfach sicherstellen, dass alle Studierenden unter der Kontrolle des PDM/PLM-Systems arbeiten, aber immer nur die Dokumente zu ihrem eigenen Projekt sehen.“

CDB stellt in der aktuellen Ausbaustufe am IPK die grundlegenden Funktionen für das Dokumenten-Management, das Teile-Management mit Artikelnummern, das Produktstruktur-Management, die Klassifikation, das Projektmanagement und die Workflows für Freigabe und Änderung bereit. Die eigentliche Arbeit beim Aufbau der PDM/PLM-Infrastruktur bestand darin, das System mit den Daten zu befüllen, ohne die man Schlüsselprozesse wie die Anpassungs- und Änderungskonstruktion nicht hätte simulieren können. „Im Projektvorlauf haben wir einen parametrischen Produktbaukasten in CDB angelegt und ein SML-basiertes Klassifizierungsschema mit grafischem Objektplan hinterlegt, um ausgehend von den Kundenanforderungen eine Basiskonfiguration, aufbauend auf wiederverwendbaren Bauteilen, erzeugen und auftragsspezifisch ergänzen zu können“, so Boryczko. Als Beispielbaugruppe diente ein Bearbeitungszentrum zur Herstellung von Echtstoff-Mikromengen-Prüfkörpern, das im Rahmen einer früheren Studienarbeit entwickelt worden war.

Der erste Teil des Projektes bestand darin, einen Konstruktionsauftrag auf Basis des verfügbaren Baukastens im Team abzuwickeln, was die Freigabe der 3D-CAD-Modelle, Zeichnungen und eventuell erforderlicher Kontrollnachweise sowie aller Artikel einschloss. Bei der Änderungskonstruktion – der zweiten Aufgabe im Rahmen des Praktikums – sollten die Studierenden einzelne Bauteile mit Hilfe von Werkzeugen für die numerische Strukturoptimierung so auslegen, dass sie ihre Funktion mit einem minimalen Materialeinsatz erfüllen. Im Wesentlichen ging es darum, an einem einfachen Beispiel aufzuzeigen, wie der Prozess der technischen Änderung mit PDM/PLM-Unterstützung funktioniert. CDB bietet standardmäßig verschiedene Vorlagen für die Abbildung der Änderungs-Workflows, beispielsweise einen Workflow für redaktionelle Änderungen, der gänzlich auf Genehmigungen und Prüfungen verzichtet. Die Studierenden nutzten einen vereinfachten Workflow mit Aufgaben wie Prüfung und Freigabe der Änderung sowie entsprechenden Benachrichtigungsfunktionen, der die Schritte ECO (Engineering Change Order) und ECN (Engineering Change Notice) enthält, jedoch den vorgelagerten Schritt der Prüfung und Genehmigung des Änderungsantrags weglässt, wie Christ erläutert.

PDM/PLM-Unterstützung als Aha-Erlebnis

CDB ist in Köln auf dem Fakultätsserver als virtuelle PDM-Serverlösung mit vier verschiedenen Instanzen (Produktiv, Test, QS und Diplom) implementiert, die von 45 CDB-Clients in fünf Arbeitsräumen aus zugänglich sind. Den Studenten stehen insgesamt 90 kostenlose und unbefristete Lizenzen zur Verfügung. Die Installation der Software nahm nicht mehr als einen halben Tag in Anspruch. „CDB ist im Prinzip eine Turnkey-Lösung auf Basis einer Toolbox, das heißt sie ist praktisch aus dem Stand einsetzbar, kann aber trotzdem flexibel angepasst werden“, so Christ. Die Konfiguration dauerte länger, da zu dem Zeitpunkt noch probiert, geplant und auch gelernt wurde. Nachdem geklärt war, wie die Übungsumgebung in der Lehre aussehen sollte, ließ sich die Produktivumgebung in wenigen Tagen an den gewünschten Zustand anpassen. Hinzu kamen noch rund zwei Wochen für den Aufbau des SML-basierten Produktbaukastens und etwa zwei Wochen für das Aufbereiten und Einspielen der Demodaten.

Die CAD-Software SolidWorks, mit der die Studierenden an der FH Köln konstruieren lernen, ist vollständig in CDB integriert, so dass beispielsweise die Produktstrukturen übernommen und für die Anlage der Stücklisten genutzt werden können. Die SolidWorks-Zusatzmodule für CAE und weitere Berechnungswerkzeuge (FEM, MKS oder CFD) sowie Office-Anwendungen sind hingegen nur soweit angebunden, dass die Dateien importiert und mit Bezug zur Produktstruktur oder anderen Objekten verwaltet werden können. Die Integrationstiefe sei für die Simulation der Arbeitsprozesse aber völlig ausreichend, meint Christ. „Der Trend geht ohnehin zu leichtgewichtigen CAx-Integrationen, um den Ingenieur bei seiner Arbeit nicht durch zu viele PDM/PLM-Funktionen zu beschneiden.“

Im ersten Durchgang des ‚Ingenieurbüros 21‘ arbeiteten insgesamt 30 Masterstudenten ein Semester lang mit CDB, um ihre Praktikumsaufgaben zu erledigen. Die Erfahrungen waren durchweg positiv, auch wenn der eine oder andere mal feststellen musste, dass er seine Daten nicht speichern konnte, weil ein anderes Teammitglied die Datei zur Bearbeitung ausgecheckt hatte. „Fehler machen war erlaubt, denn die Studenten sollten gerade daraus lernen“, sagt Boryczko. Ihre erste Übung bestand darin, die Dateien erst einmal ohne PDM/PLM zu verwalten, mit dem Erfolg, dass bald keiner mehr wusste, welches die jeweils aktuelle Version war. Dann wiederholten sie die Übung mit CDB und jedem war auf Anhieb klar, wie wichtig eine gemeinsame Projektverwaltung ist, um bei der Teamarbeit zu sehen, welches der aktuelle Stand ist und was die anderen gerade machen. „Ein regelrechtes Aha-Erlebnis!“, so Boryczko.

Die Erfahrungen aus dem ersten Durchgang des Ingenieurbüros 21 sollen jetzt in einen Katalog von Vorschlägen einfließen, um die Arbeitsabläufe noch effizienter zu gestalten und die PDM/PLM-Umgebung funktional weiter auszubauen. Eine wichtige Anregung seitens der Studenten betrifft die Möglichkeit, in der Frühphase mehrere Entwicklungspfade mit PDM/PLM zu verwalten, um gegebenenfalls zu einem älteren Entwicklungsstand zurückzuspringen. Diese und andere Themen sollen im Rahmen von Master- oder Promotionsarbeiten eingehender untersucht werden, wie Prof. Alexander Boryczko erläutert: „CDB dient nicht nur als Plattform für Studium und Lehre, sondern kann auch als Sprungbrett für anspruchsvolle Projekte nach dem Studienabschluss genutzt werden.“

Contact Software GmbH, Bremen Tel. 0421/20153-0, http://www.contact.de

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