Produktionssysteme

Datenkonvertierung ist kein Selbstläufer

Werden CAD-Daten innerhalb der Lieferkette weitergereicht und dazu konvertiert, sollte man sicher sein, dass die konvertierte Datei dem Original entspricht. Insbesondere kleine, leicht zu übersehende Abweichungen können sonst schnell zu Fehlern und letztlich hohen Kosten führen – abgesehen von Imageschäden und dem Verlust von Aufträgen. Hilfreich ist ein auf die jeweilige Anwendung abgestimmter Prozess der Validierung und Überprüfung von CAD-Daten, der auch bei der Migration von Altdaten oder der Langzeitarchivierung ins Auge gefasst werden sollte. Das ist weniger eine technische, sondern vielmehr eine unternehmerische Frage.

Ein Management-Diskussionspapier von Theorem Solutions

Die CAD-Datenkonvertierung ist heute weiter verbreitet und weitaus effektiver als jemals zuvor. Die Tatsache, dass die Konvertierung und Weitergabe der Daten so weit verbreitet und relativ unkompliziert ist, lässt die Benutzer annehmen, dass dies immer erfolgreich und mit einem hohen Maß an Präzision erfolgt. Dieses Gefühl der Sicherheit ist jedoch trügerisch. Konvertierungen können aus zahlreichen Gründen fehlschlagen, beispielsweise aufgrund von Quelldaten von schlechter Qualität oder weil die falschen Konvertierungsoptionen eingestellt wurden. Auch wenn das schon fast ein Widerspruch in sich ist: Ein spektakulärer Fehlschlag ist kein Problem, da er so offensichtlich ist. Andererseits können sehr subtile Änderungen, wie Abwandlungen von Modellflächen, die Entfernung von Daten und die Erstellung von kleinen, schmalen Flächen (sogenannten Sliver Faces) unentdeckt bleiben. Dies führt dazu, dass eine Datei herausgeschickt wird, die spürbare Mängel aufweist – und der Empfänger arbeitet dann mit dieser Datei inklusive der Mängel. Manchmal werden diese Mängel erst offensichtlich, wenn das Bauteil tatsächlich produziert wird. Zu diesem Zeitpunkt verursacht die Fehlerbehebung dann aber hohe Kosten.

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Eine unterlassene Validierung und Überprüfung von CAD-Modellen im Rahmen von Interoperabilitätsprozessen macht jede Qualitätskontrolle in der Fertigung praktisch zunichte. Vielfach werden etwa Koordinatenmessmaschinen zur Validierung und Überprüfung von gefertigten Teilen verwendet. Die genauen Maße werden dabei mit dem CAD-Modell verglichen, das für die Erstellung der Werkzeugbahnen verwendet wurde. Häufig wird ein Qualitätszertifikat ausgestellt, um zu bestätigen, dass das gefertigte Teil innerhalb der benötigten Toleranzen liegt. Das Problem ist, dass das gefertigte Teil – wenn es mit Daten verglichen wurde, die konvertiert aber nicht validiert wurden – kleine aber durchaus bedeutende Mängel aufweisen kann. Idealerweise sollte deshalb ein Vergleich zwischen den ursprünglichen Quellkonstruktionsdaten und dem gefertigten Teil durchgeführt werden. Da dies in vielen Lieferketten nicht möglich ist, sollte das gefertigte Teil wenigstens mit Daten verglichen werden, die validiert wurden.

Ein weiteres Problem liegt im kaufmännischen Bereich, der mit Konstruktion, Engineering und Produktion zusammenarbeitet. Man hat den Eindruck, dass die Welt immer streit- und prozesssüchtiger wird. Dadurch rückt die Frage nach den Verantwortlichkeiten immer stärker in den Vordergrund, wenn etwas schiefgeht. Die Schuldfrage – so sie denn zweifelsfrei bewiesen werden kann – geht immer mit hohen Kosten einher. Diese beziehen sich nicht nur auf Vereinbarungen zur Vermeidung noch kostspieligerer Rechtsstreitigkeiten, es gibt auch noch andere greifbare und nicht greifbare Risiken:

Imageschäden, also der Verlust des guten Rufs, können ein Unternehmen so stark beschädigen, dass es zur Geschäftsaufgabe gezwungen ist.

Die Nichteinhaltung vertraglich festgelegter Bedingungen kann dazu führen, dass ein Unternehmen Aufträge und Kunden verliert.

Die Nichterfüllung von Qualitätsstandards (ISO 9000) setzt zukünftige Aufträge aufs Spiel.

Erkannte Diskrepanzen erfordern teure Nacharbeiten.

Kann man nicht eindeutig nachweisen, dass die Verantwortung für ein Problem an anderer Stelle zu suchen ist, kann dies im Prinzip die gleichen Konsequenzen nach sich ziehen. Die geschäftlichen Auswirkungen sind so signifikant, dass eine unterlassene Validierung und Überprüfung von konvertierten und/oder weitergegebenen Daten als Pflichtverletzung betrachtet werden könnte.

Handlungsbedarf ergibt sich in drei Situationen

Nun könnte man annehmen, dass es für nur wenige Unternehmen von Interesse wäre, große Datenvolumen zu validieren und zu überprüfen, doch diese Annahme ist falsch. Es gibt drei eindeutige Situationen, die eine Validierung und Überprüfung – auch von großen CAD-Datenvolumina – erfordern, und die meisten Engineering-Unternehmen werden in den nächsten Jahren entweder einmalig oder wiederholt als Teil eines laufenden Geschäftsprozesses vor einer oder mehrerer dieser Situationen stehen. Es handelt sich dabei um die folgenden drei Fälle:
1. Migration von CAD-Daten aus einem Altsystem:
Für die meisten Unternehmen besitzen Altdaten einen bedeutenden Wert, insbesondere für Engineering-Unternehmen. Die meisten neuen Produkte sind Weiterentwicklungen der Vorgängergeneration und wenn die Konstruktionsdaten nicht in einem nutzbaren Format gesichert wurden, so muss ‚das Rad neu erfunden werden‘. Vor der Einführung von CAD-Systemen musste man nur im Archiv einen Blick auf alte Zeichnungen werfen, aber es ist schlicht und einfach nicht möglich, nur durch ‚einen Blick‘ auf ein CAD-Modell ausreichende Informationen zu gewinnen, um das Modell in etwas Neues zu verwandeln.

Die meisten 3D-Altdaten stellen also eine wertvolle Ressource dar und die Übertragung dieser Daten in das aktuelle CAD-System der neuesten Generation steht im Rahmen der Zukunftsplanung vieler Engineering-Unternehmen auf der Tagesordnung. Auch wenn die Migration von Daten ein zwar bedeutender, aber nur einmalig durchzuführender Schritt im Rahmen eines definierten Projekts ist, erfordert sie dennoch die Validierung und Überprüfung der Daten. Erst dann verlieren die CAD-Daten ihren Status als Altdaten und sind zukünftig im aktuellen Konstruktionssystem verfügbar. So bilden sie die Grundlage für bewahrtes geistiges Eigentum und Mehrwert für das Unternehmen.
2. Zusammenarbeit bei Konstruktion und Fertigung:
Unternehmen, die Lieferketten nutzen oder Teil einer Lieferkette sind, müssen einerseits Gewissheit darüber haben, dass das, was sie ihrem jeweiligen Geschäftspartner geschickt haben, validierte Daten sind, und andererseits sicherstellen, dass die Daten, die sie von anderen erhalten haben, ebenfalls korrekt sind. Dies bedeutet, dass Validierung und Überprüfung von Daten ein wesentlicher Teil der Kooperation innerhalb einer Lieferkette sind. Dieser Vorgang unterscheidet sich jedoch insofern von der Validierung und Überprüfung im Rahmen einer CAD-Datenmigration, als dass es sich um eine täglich durchzuführende Aufgabe handelt. Außerdem teilen sich in diesem Fall mehrere Parteien innerhalb des Liefernetzwerks die Verantwortung (und auch die sich ergebenden Vorteile). Hier ein Beispiel:

Ein OEM möchte CAD-Daten so innerhalb seines Liefernetzwerks versenden, dass das Risiko für das Urheberrecht (geistiges Eigentum) minimiert wird. Eine Möglichkeit ist, die Konstruktionsdaten vor dem Versenden vom ursprünglichen CAD-Format in ein neutrales Format zu konvertieren. Nach Beendigung der Konvertierung und vor dem Versenden der CAD-Daten in die Lieferkette, sollte der OEM eine Validierung und Überprüfung durchführen, um sicherzustellen, dass die neutrale Datei eine exakte Darstellung der CAD-Quelldatei ist. Die Validierungseigenschaften, die sich aus diesem Vorgang ergeben, können dann zusammen mit der neutralen Datei versendet werden. Wenn ein Geschäftspartner die neutrale Datei erhält und sie in sein eigenes CAD-System importiert, kann er einen neuen Satz Validierungseigenschaften erstellen, der dann mit dem Originaldatensatz des OEMs verglichen werden kann.

Der Prozess der Validierung und Überprüfung bei einer Kooperation innerhalb einer Lieferkette ist also komplexer (siehe Grafik 1) und erfordert die aktive Mitarbeit aller beteiligten Geschäftspartner. Die Vorteile, die sich dadurch ergeben, dass innerhalb eines Projekts, an dem zahlreiche unterschiedliche Unternehmen beteiligt sind, garantiert die richtigen Daten verwendet werden, wiegt diesen Zusatzaufwand jedoch mehr als auf.
3. Aufbau eines Langzeitarchivs:
Beim Einsatz von CAD-Systemen haben sich zwei Punkte als wichtig erwiesen: Der erste Punkt ist, dass es – selbst wenn Altdaten nicht in ein aktuelles CAD-Format migriert werden – starke Anreize für die Konvertierung in ein neutrales Format gibt, damit die Daten langfristig (und damit unabhängig vom jeweils gerade aktuellen CAD-System) verfügbar bleiben. Der zweite Punkt betrifft die Datenmenge bei der Ablage von aktuellen Daten, die für die langfristige Archivierung irgendwann doch einmal in ein neutrales Format konvertiert werden muss. Mit jedem Tag, der vergeht, wächst sie stetig.

Eine Validierung und Überprüfung ist unentbehrlich, wenn Daten aus einem Altsystem oder aus einem aktuellen Prozess in ein Langzeitarchiv übertragen werden. Nur so kann gewährleistet werden, dass das Langzeitarchiv ausschließlich einwandfreie Daten enthält. Grafik 2 zeigt einen typischen Workflow für die Validierung und Überprüfung von Daten (etwa unter Verwendung des STEP- oder JT-Formats) für einen Langzeitarchivierungsprozess.

Technische Überlegungen und realistische Zielsetzung

Nachdem festgestellt wurde, dass tatsächlich ein Problem vorliegt und dass es Umstände gibt, die dazu führen, dass die meisten Konstruktions-, Engineering- und Produktionsunternehmen eine Validierung und Überprüfung durchführen müssen, ist es an der Zeit, die technischen Anforderungen der CAD-Datenvalidierung und -überprüfung in Augenschein zu nehmen. Zu Beginn muss der Prozess relativiert werden, indem man eine realistische Erwartung dessen formuliert, was notwendig und was möglich ist. Grob vereinfacht könnte man beispielsweise sagen, dass man in der Lage sein möchte, nachzuweisen, dass das übersetzte CAD-Modell exakt dem Quellmodell vor der Konvertierung entspricht. Ein netter Gedanke, allerdings ist er nicht unbedingt sehr realistisch.

CAD-Systeme unterscheiden sich voneinander, selbst wenn sie für die Datenhaltung denselben Kernel nutzen. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Funktionsweise und aufgrund der verschiedenen Toleranzen, die sie anwenden, kann eine absolut schlüssige Konvertierung zu einem Modell führen, das sich eben doch vom unkonvertierten Quellmodell unterscheidet. Wenn die CAD-Systeme dann auch noch völlig unterschiedliche Kernel nutzen, ist die Wahrscheinlichkeit für Abweichungen sogar noch höher. Diese Abweichungen spielen für Ingenieure und Techniker eine große Rolle, denn sie müssen Messungen vornehmen und Vergleiche anstellen. Sie sind darauf geschult, sicherzustellen, dass die Konstruktionsmaße durchgehend bis auf das fertige Teil übertragen werden. Manchmal sind die Abweichungen, die zwischen unkonvertierten Quellmodellen und konvertierten Zielmodellen festgestellt werden können, so klein, dass sie wirklich unbedeutend sind, aber ist genauso gut möglich, dass die Abweichungen selbst nach einer erfolgreichen Konvertierung mathematisch signifikant und manchmal groß genug sind, um auch im technischen Sinne signifikant zu sein.

Selbst wenn während des Konvertierungsprozesses keine Fehlermeldungen angezeigt wurden, kann ein Vergleich der Masseeigenschaften des Quell- und des Zielmodells Unterschiede aufzeigen. Außerdem ist es möglich, dass die Masseeigenschaften so ähnlich sind, dass sie als identisch betrachtet werden, und trotzdem können sich die Formen unterscheiden. Ein Vergleich mit dem Zweck einer CAD-Modellvalidierung und -überprüfung ist kein einfaches Unterfangen und sollte Verfahren umfassen, mit denen sowohl die Masseeigenschaften als auch die Formen verglichen werden können.

Aufgrund der Komplexität der Vergleiche – die notwendig sind, um festzustellen, ob die Daten innerhalb akzeptabler Engineering-Toleranzen liegen – und aufgrund der involvierten Datenmengen erscheinen manuelle Überprüfungsprozesse als nicht praktikabel. Ein solcher Ansatz wäre im Hinblick auf die benötigten Geräte und Softwarelizenzen sehr kostspielig, würde unzählige Mannstunden verschlingen und außerdem auch noch fehleranfällig sein. Darüber hinaus ist es unwahrscheinlich, dass die Unternehmen über ausreichend viele Mitarbeiter mit den spezifischen Kenntnissen und Fähigkeiten verfügen, die für einen schlüssigen Vergleich zwischen Quell- und Ziel-CAD-Modellen erforderlich wären.

Die STEP-Community ist bereits seit einiger Zeit federführend bei der CAD-Datenvalidierung und -überprüfung. Ihr Fokus liegt dabei auf den folgenden Vergleichskriterien:

Masseeigenschaften (Volumen, Oberfläche, Schwerpunkt)

Punktewolke (Oberfläche, Kanten, eigenständige Kurven)

Fertigungsinformationen (PMI: Linienzuglänge, Linienzugschwerpunkt, Unicode-Zeichenfolge)

Es gibt keinen Grund, warum diese Vergleichskriterien nicht auch auf CAD-Modelle angewendet werden sollten, die nicht im STEP-Format vorliegen. Allerdings liegt die Arbeit auf einer derart detaillierten Ebene außerhalb des Betätigungsfelds der meisten CAD-Techniker. Ein solcher Grad an Detailreichtum kann realistischerweise nur programmtechnisch angegangen werden – als Teil eines Prozesses.

CAD-Datencheck als Prozess

Die CAD-Datenvalidierung und -überprüfung sollte ein Teilbereich einer Gesamtlösung sein und jede einzelne Validierungs- und Überprüfungslösung sollte so entwickelt werden, dass sie die Bedürfnisse des anwendenden Unternehmens exakt erfüllt. Die Prozesse unterscheiden sich auch in Hinblick auf ihren jeweiligen Einsatz, je nachdem, ob es sich um eine Datenmigration, die Interoperabilität innerhalb einer Lieferkette oder eine Langzeitdatenarchivierung handelt. Der Versuch, einen einzigen generischen Prozess zu beschreiben, kann daher gar nicht die Details umfassen, die für alle Situationen benötigt werden. Die Prozessentwicklung ist allerdings ein so wesentlicher Teil der Anwendung der CAD-Datenvalidierung und -überprüfung, dass sie hier unbedingt Erwähnung finden sollte.

Zum Zwecke der Veranschaulichung folgt an dieser Stelle eine Auflistung der Inhalte eines CAD-Datenvalidierungsmoduls, das innerhalb eines CAD-Datenmigrationsprojekts Anwendung finden könnte. Es umfasst die folgenden Schlüsselelemente:

Definition von Umfang und Zielen

Identifizierung und Auswahl der Daten

Identifizierung der bevorzugten Methode für die Datenkonvertierung

Identifizierung der bevorzugten Methode für den Vergleich der Quell- und Zielmodelle

Definition der akzeptablen Toleranzen für Abweichungen, die zwischen den Quell- und Zielmodellen erkannt werden

Identifizierung einer Methode für den Vergleich von Abweichungen

Definition für den Umgang mit erkannten Abweichungen, etwa in Form von Ausnahmeberichten

Auswahl eines Automatisierungssystems

Erstellung eines automatisierten Prüfpfades

Einen Königsweg gibt es nicht. Es gibt keine Einzelaktion, mit der die Risiken, die durch eine unterlassene Validierung und Überprüfung von CAD-Daten zu geeigneten Zeitpunkten innerhalb des Lebenszyklus entstehen, abgemildert oder gar vollständig vermieden werden können. Die Lösung besteht vielmehr darin, mehrere Dinge zu kombinieren, die jeweils Teilprobleme lösen. Beginnen sollte man aber damit, eine Führungsperson mit Budgetverantwortung auf die Risiken und ihre geschäftlichen Auswirkungen aufmerksam zu machen. Diese Person sollte anschließend auf geeigneter Ebene die Genehmigung für entsprechende Gegenmaßnahmen einholen. Das ist keine technische Frage – sie beinhaltet zwar technische Komponenten, ist aber vielmehr eine unternehmerische Frage mit unternehmerischen Auswirkungen.

Zusammenfassung

Die meisten Engineering-Unternehmen stehen vor der Herausforderung, dass ihre technischen Mitarbeiter vollständig damit ausgelastet sind, über ihre Kernkompetenz Mehrwerte für das Unternehmen zu schaffen. Es gibt in der Regel keine freien Mannstunden, die für die Ausarbeitung und Umsetzung eines Validierungs- und Überprüfungsprozesses verwendet werden könnten. Selbst innerhalb eines Pools von erfahrenen CAD- und IT-Spezialisten ist es eher unwahrscheinlich, dass Kapazitäten frei sind, um ein solches Projekt anzugehen. Damit ein solcher Prozess effektiv entwickelt und implementiert werden kann, ohne dabei den normalen Konstruktions- und Fertigungsfluss zu unterbrechen, lohnt es sich, Spezialisten hinzuzuziehen. Durch eine kurze Beratung sollte es möglich sein, herauszufinden, ob tatsächlich die Notwendigkeit für eine Validierung und Überprüfung besteht, um anschließend ein Projekt auszuarbeiten, das die spezifischen Anforderungen des Unternehmens erfüllt. Dann kann die Unternehmensführung Risiken und Nutzen bewerten und eine fundierte Entscheidung treffen. -co-

Theorem Solutions Ltd, Tamworth/England Tel. +44 (0)1827/305350, http://www.theorem.co.uk

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