Produktionssysteme

Functional-DMU beschleunigt die Produktentwicklung

Dr. Thomas Straßmann Universität Duisburg-Essen Lehrstuhl für Mechanik und Robotik

Für heutige Unternehmen ist es auf Grund des verschärften Wettbewerbs ein zwingendes »Muss«, gerade bei der Produkt- entwicklung Methoden und Verfahren einzusetzen, die zum einen innovative Produkte ermöglichen, aber zum anderen den Entwicklungsprozess verkürzen. Dabei ist die Gestaltung des Produktes – die Produktdefinition, und hier insbesondere die Konstruktion – ein entscheidender Faktor, da gerade das Design und die äußere Produktrepräsentation beim Kunden kaufentscheidend sind. Aus diesem Grund erhält die Produktentwicklung eine Schlüsselposition innerhalb der Wertschöpfungskette in produzierenden Unternehmen.

Die steigende Komplexität der Produkte und den damit einhergehenden Prozessen im Verbund mit der zunehmenden Dynamik der Geschäftswelt erfordern jedoch neue Methoden und Verfahren, um das im Produktentwicklungsprozess aufgebaute Wissen zu nutzen. Speziell die Wechselwirkungen von strategischer Planung, Produktentwicklung und Prozessentwicklung – einschließlich der logistischen Produktions- und Distributionsprozesse – zwingen die Unternehmen dazu, durch integrative Ansätze zukunftsorientierte Lösungen zu schaffen (Bild 1).

Um alle Chancen im Wettbewerb zu nutzen, reicht es nicht mehr aus, die reinen Daten mittels neuer Technologien wie PDM- und PLM-Lösungen im Verbund mit den ERP-Systemen zu verwalten. Zusätzlich müssen Strategien entwickelt werden, damit das in den Produkten enthaltene Wissen für alle Prozessbeteiligten innerhalb der Wertschöpfungskette verfügbar wird.

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Von der Aufbau- zur Prozessorganisation

Kundenspezifische Investitionsgüter werden im Allgemeinen meist als Neu-, Anpassungs- oder Variantenkonstruktionen mit hohem Innovationsgrad unter extremen Wettbewerbsdruck entwickelt. Unternehmen wandeln sich organisatorisch von der klassischen Aufbauorganisation hin zur Prozessorganisation. Heute stehen der Kunde und das Produkt im Mittelpunkt der Betrachtungen. Hierbei helfen neue Technologien und Werkzeuge, den ehemals sequentiell ablaufenden Entwicklungsprozess zu parallelisieren. In der Konstruktion ist dies verstärkt am Wandel der Entwicklungswerkzeuge erkennbar. Der gemeinsame Einsatz von 3D-CAD-Systemen im Verbund mit den Produktdatenmanagement-Komponenten wie PDM- und PLM-Lösungen sind hierfür gute Beispiele.

Die rechnergestützte Produktmodellierung mit 3D-CAD-Systemen hat die Aufgabe, die geometrischen Eigenschaften der Gestaltungselemente sowie die Bezüge zwischen den Gestaltungselementen (auch auf den unterschiedlichen Hierarchieebenen) bereit zu stellen. Durch die Entwicklung der Modelle – der grafischen 3D-Darstellung des Produktes und seiner Einzelkomponenten – ergeben sich vielfältige Möglichkeiten innerhalb der Prozesskette. Genutzt wird hierzu das Konzept des »Digital-Masters« zur vollständigen Beschreibung des Produktmodells, in dem »intelligente« Entwurfselemente eine entscheidende Rolle spielen.

In diesem Produktmodell werden alle produktdefinierenden Informationen abgebildet, die im Produktentwicklungsprozess entstehen. Die Entwicklung mittels eines Digital-Masters (3D-Modell) ermöglicht in den angrenzenden Prozessen wie FEM-Analysen, Simulationen und Kinematik-Berechnungen die Beschreibung und Nutzung der Produkteigenschaften (Bild 2). Hierbei unterstützen ebenfalls die aus dem Modell ableitbaren Visualisierungs- und Animationsfunktionen den Prozess.

Das digitale Produkt- modell als Grundlage

Zumeist werden die Gestalt- und Werkstoff-Eigenschaften eines Produktes direkt bei der Konstruktion festgelegt und sind über das 3D-Modell reproduzierbar. Die ebenfalls durch den Entwicklungsprozess indirekt festgelegten Produkteigenschaften bezüglich Fertigung, Montage, Nutzung, Service und Recycling sollten ebenfalls im Konstruktionsprozess erfasst und ausgewertet werden. Da dieses »Wissen« für den gesamten Engineering-Prozess von entscheidender Bedeutung ist, sollten die Informationen explizit verfügbar sein. Zusätzlich zu den mechanischen Eigenschaften besitzen heutige Systeme immer mehr mechatronische, regelungstechnische, pneumatische und Software-technische Komponenten, die ebenfalls dokumentiert werden müssen (Bild 3). Besonders diesem Bereich kommt ein immer höher werdender Stellenwert zu.

Experten aus der Industrie und Forschung sehen große Potenziale zur Erzielung höherer Markterfolge mit Hilfe der Innovationstreiber »Komplexitätsmanagement«, »Mechatronik«, »Collaborative Engineering« und »Simulation«. Diese Technologien eröffnen im Zusammenspiel mit weiteren Technologien, zum Beispiel der Virtual Reality (VR) und der Augmented Reality (AR), ganz neue Möglichkeiten innerhalb des Engineerings. Dadurch lassen sich 3D-Modellen im virtuellen Raum (VR) betrachten oder durch eine »angereicherte Realität« (AR) als Kombination der realen Welt mit computergenerierten Informationen präsentieren.

Die dynamischen und nicht deterministischen Eigenschaften des Produktentwicklungsprozesses stellen besondere Herausforderungen an die Gestaltung der Prozesse. Herkömmliche sequentielle Vorgehensweisen müssen parallelisiert und bereichsübergreifend integriert werden. Die für die Entwicklung innovativer Produkte benötigte hohe Kreativität der Mitarbeiter erfordert zusätzlich entsprechende Freiräume innerhalb der Prozesse (Bild 4). Speziell die Entwicklung komplexer Produkte verlangt die multidisziplinäre Zusammenarbeit der unterschiedlichen Kunden- und Unternehmensbereiche.

Die häufig unstrukturierten Absprachen zwischen den Kunden und den Unternehmen sowie die ungenügend durchgängige Informationsbereitstellung während des Entwicklungsprozesses führen dazu, dass die häufig daraus resultierenden Interaktionen zu einer Verlängerung der geplanten Entwicklungszeit und damit zur Erhöhung der Entwicklungs- und Produktkosten führen. Deshalb sind Methoden zu nutzen, die durch die Anwendung von vorhandenem Wissen und Informationen diese Zyklen verkürzen.

Einsatz in frühen Phasen der Produktentwicklung

Innerhalb des konstruktionsmethodisches Vorgehens bei der Produktentwicklung zählen nach der Produktplanung die »Klärung und das Präzisieren der Aufgabenstellung«, die »Ermittlung von Funktionen und deren Strukturen« und das »Suchen nach Lösungsprinzipien und deren Strukturen« zu den frühen Phasen der Produktentwicklung. Schon in diesen frühen Entwicklungsphasen werden die Weichen für den weiteren Produktentwicklungsprozess gestellt. Gleichzeitig ist erkennbar, dass hier eine Unterstützung der Entwicklung durch geeignete Werkzeuge und Methoden den höchsten Nutzen verspricht.
Die Entwicklung und Repräsentation eines Produktes erfolgt heute durch den Einsatz von CAD-Systemen. Wurden in den Anfängen der CAD-Ära nur die geometrischen Eigenschaften beschrieben, so werden heute durch die Nutzung von 3D-CAD-Systemen in Kombination mit der dazugehörigen Verwaltungs-Software wie PDM- und PLM-Lösungen die digitalen Produktmodelle erstellt und verwaltet. Die Modellierung der Geometrie und Produkteigenschaften und die mittels virtuellem Modell (Digital-Mock-up – DMU) möglichen Ein- und Ausbauuntersuchungen sowie die Ergonomiesimulationen sind heute als Stand der Technik und als fester Bestandteil der virtuellen Produktentwicklung zu betrachten.

Die DMU-Technologie ermöglicht es, das mittels CAD-Software vorbereitete digitale Produktmodell mit seinen Strukturen und Modelleigenschaften als wirklichkeitsgetreue Beschreibung eines Produktes zu nutzen. Dieses rechnerinterne Modell dient zur räumlichen und funktionalen Gestaltung eines Produktes und bildet damit die Basis für die Analyse des Aufbaus und der Verbauungseigenschaften der betrachteten Elemente.

Die im DMU-Modell verfügbaren kinematischen Informationen unterstützen die Ableitung von Bewegungsvolumen ohne eine Generierung von physikalischen Versuchsmodellen und reduzieren somit die kosten- und zeitintensiven Änderungsschleifen in einer Vorserie. Klassische DMU-Anwendungen für die geometrische Integration sind Kollisionsanalysen, »Clash and Clearance«-Analysen und Montagesimulation.
Wird die DMU-Anwendung um funktionale Aspekte erweitert, so wird heute von dem Functional-Digital-Mock-up (FDMU) gesprochen. Die funktionale Erweiterung des DMU-Konzeptes und die Kenntnisse aus den Wissensgebieten der Mechanik, Elektronik und Software-Entwicklung ermöglichen gerade bei mechatronischen Produkten eine frühzeitige Unterstützung des Entwicklungsprozesses.

Hauptziel einer FDMU-Anwendung ist die Untersuchung der Funktionen und des Verhaltens der zu entwickelnden Produkte. Hierbei geht es um die Untersuchung der Produkteigenschaften und die Simulation und Bewertung der Gesamtfunktionalitäten des Produktes. Die auswertbaren Informationen helfen den Analyse- und Optimierungsprozess ohne physikalische Prototypen zu beschleunigen (Bild 5 und 6).

Virtuelles Modell mit Produkteigenschaften

Mittels FDMU-Anwendung werden durch die integrierte Betrachtung der Funktionalitäten die Produkteigenschaften des Gesamtproduktes simuliert und bewertet. Hierzu werden die Modelle aus den gespeicherten Funktions- und Produktstrukturen, den Geometriemodellen, den Simulationsmodellen und auf der Basis existierender Messdaten aufgebaut.Durch die rasant ansteigende Verwendung mechatronischer Teile in heutigen Produkten werden diese zunehmend vielschichtiger. Diese Komplexität, bedingt durch die Anzahl der Funktionen, kann nur über entsprechende Software realisiert werden. Hierzu werden neue Werkzeuge benötigt, um das Zusammenspiel multipler mechatronischer Komponenten zu verifizieren. Bei dieser Verifizierung innovativer Lösungen kann man sich nicht ausschließlich auf die Erfahrungswerte verlassen. Daher wird durch Nutz-ung von Functional-DMU-Konzepten die virtuelle Entwicklung besser unterstützt. Folglich sind FDMU-Anwendungen zunehmend unentbehrlich für die visuelle Kommunikation und Entscheidungsunterstützung, denn dadurch können die verschiedenen Disziplinen verstärkt zusammenarbeiten.

Besonders die Software- und Elektronik-Komponenten und deren Funktionalitäten sind während des DMU-Entwicklungsprozesses heute nahezu unsichtbar. Deshalb muss der Einfluss von Veränderungen in der Software und Elektronik in entsprechenden Modellen erfasst und visualisiert werden. Dadurch können die Auswirkungen von funktionalen Einflüssen verstanden und kommuniziert werden.

Die aus den FDMU-Anwendungen abzuleitenden Produkteigenschaften bilden hierbei ein »Virtuelles Produkt«. Auf der Basis des so generierten Modells lässt sich dann mit Hilfe der Methoden der »Digitalen Fabrik« der Fertigungsprozess analysieren und die Montageprozesse sowie die verwendeten Fertigungseinrichtungen können bewertet werden. Die Generierung von FDMU-Modellen stellen hohe Anforderungen sowohl an die Entwicklungsprozesse als auch an die zur Modellgenerierung benötigten Applikationen. Diese sind heute noch nicht durchgängig verfügbar. Zukünftige FDMU-Modelle werden eine »Eigenintelligenz« besitzen, um damit die Entwicklungsprozesse entscheidend zu unterstützen und zu verbessern. Die Betrachtungen zeigen, dass die beschriebenen Abhängigkeiten und die Wechselwirkungen der einzelnen Prozesskomponenten einen maßgeblichen Einfluss auf den Produktentwicklungsprozess besitzen. Während des Produktlebenszyklus werden durch die Nutzung der verschiedenen IT-Systeme (CAD, PDM, CAM, PPS, ERP, QMS, u. a.) eine große Menge von Produktinformationen erzeugt, verändert und verarbeitet. Der hierbei erstellte Wissensbestand wird jedoch nur teilweise und unzureichend genutzt. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der am Anfang der Prozesskette stehende Konstruktionsprozess nicht nur funktions- und kostenprägend ist, er stellt auch die Weichen für sämtliche Folgeprozesse wie die Fertigung, den Service, den Vertrieb und das Marketing. Hierbei erfolgt die Festlegung der geforderten Produktmerkmale innerhalb des Produktentwicklungsprozesses zu einem Zeitpunkt, zu dem die daraus resultierenden Eigenschaften wie Zuverlässigkeit, Wartungsfreudigkeit oder Herstellkosten nur extrem ungenau ermittelt werden können. Erst Prototypen oder vergleichbare Technologien wie (Functional-)DMU-Anwendungen helfen hier, zu einem frühen Zeitpunkt befriedigende Antworten zu erhalten. Im Gegensatz zu den kostenintensiven physikalischen Modellen bieten die Auswertungen der funktionalen und digitalen Modelle im Zusammenspiel mit entsprechenden Simulationen einen enormen Zeit- und Qualitätsgewinn. Hierbei stellen die im Produktmodell vorhandenen Informationen – richtig genutzt und interpretiert – einen wertvollen Informationsbestand dar, der als Wettbewerbsfaktor erfolgsentscheidend ist. -fr-

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