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CAD gehört zum guten Ton

Die Orgel nimmt in der Kirchenmusik seit vielen Jahrhunderten eine herausragende Stellung ein. Schon vor mehr als 2.000 Jahren haben die Griechen in den ersten orgelartigen Instrumenten mit Hilfe von Wasser einen gleichmäßigen Winddruck erzeugt und so den Spielpfeifen aus Bronze die Töne für »Orgelkonzerte« entlockt. Zu ihrer heutigen Form entwickelten sich die Orgeln letztendlich im Barock und zur Zeit der Romantik.
Baumgartner Orgelbau hat im Bereich der Komponenten ein sehr breites Geschäftsfeld mit vielen kleinen Serien und kundenindividuellen Sonderausführungen aufgebaut.

»Die ältesten Instrumente, die heute noch im Einsatz sind, wurden vor rund 600 Jahren gebaut, wobei die Lebensdauer einer Orgel auf etwa 200 Jahre ausgerichtet ist«, erläutert der Orgelbauer Richard Baumgartner, Juniorchef von Baumgartner Orgelbau, einer Werkstätte für historische Musikinstrumente. Die Firma wurde 1970 von seinem Vater Werner gegründet, der sich aufgrund eines Auftrages für eine Hausorgel in der Region Bayreuth niederließ. Der Auftraggeber, ein begeisterter Hobbyorganist und Kirchenmusiker ließ sich eine drei-manualige Kirchenorgel mit 18 Registern für einen zweigeschossigen Wohnraum errichten. Die Bauzeit von der Planung bis zur Fertigstellung der Orgel dauerte mehr als ein Jahr. Bis Mitte der 1980iger Jahre konzentrierte sich Werner Baumgartner auf den Bau von kompletten Orgeln beziehungsweise auf deren Restaurierung. Danach erfolgte jedoch eine Spezialisierung auf den Bau von Komponenten. Einhergehend mit der Entwicklung zum Komponentenlieferant wurde die Wartung der selbstgebauten Orgeln an andere Orgelbauer übergeben. Durch die Spezialisierung auf Komponenten konnte die Firma von einem Zwei-Mann- auf einen Zehn-Mann-Betrieb ausgeweitet werden.

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Baumgartner Orgelbau präsentiert heute sein Angebot anhand eines umfangreichen Katalogs mit einer Vielzahl von Standardkomponenten, die in den unterschiedlichsten Varianten lieferbar sind. Zusätzlich werden natürlich auch kundenspezifische Bauteile gefertigt. Um die entsprechenden Komponenten beziehungsweise Teilefamilien effizient konstruieren und fertigen zu können, nutzt Richard Baumgartner seit eineinhalb Jahren die CAD-Software Pro/Engineer von PTC, auf die er durch die Empfehlung eines guten Freundes gestoßen ist. Dieser nutzt die Engineering-Lösung im eigenen Betrieb auf einer Vielzahl von Arbeitsplätzen.

»Dort konnte ich meine ersten Erfahrungen sammeln und hatte immer einen kompetenten Ansprechpartner, wenn ich nicht mehr weiter wusste«, berichtet Richard Baumgartner. »Auch nach dem Kauf und der Installation von Pro/Engineer bei uns im Betrieb habe ich noch ab und zu auf seine Unterstützung zurückgegriffen, aber in den allermeisten Fällen konnte mir die Hotline der Inneo Solutions GmbH, unseres Systemlieferanten, schnell und kompetent weiterhelfen.«

Auch die Startup-Tools von Inneo sind laut Richard Baumgartner sehr zum Empfehlen: »Wenn ein Neueinsteiger ohne eine entsprechende Software-Umgebung mit Pro/E starten muss, kann er schnell auf verlorenem Posten stehen, besonders dann, wenn er sich die Handhabung des Systems wie ich als Autodidakt aneignet«. Als sehr hilfreich nennt er unter anderem den Nummerngenerator, den Parametermanager sowie die Eingabe der Zeichnungskopfdaten und ergänzt: »Viele Menschen in unserer Branche stehen den neuen Technologien eher feindlich gegenüber, aber für uns hat sich Pro/E für die Erstellung der Produktfamilien als ideales System erwiesen. Außerdem haben wir durch den Einsatz des 3D-CAD-Systems auch Anregungen zur Optimierung der Fertigung erhalten, beispielsweise beim Laserschneiden von Blechteilen, die mit Pro/E konstruiert und als Ansichten im DXF-Format an die Fertigungsunternehmen übertragen werden.«

Baumgartner Orgelbau hat im Bereich der Komponenten ein sehr breites Geschäftsfeld mit vielen kleinen Serien und kundenindividuellen Sonderausführungen aufgebaut. Hier bietet ihr der 3D-CAD-Einsatz enorme Vorteile. Dies gilt insbesondere für die Variantenkonstruktion, aber auch in die Modellierung von Freiformflächen hat sich der Autodidakt Richard Baumgartner schon vorgewagt: »In den letzten beiden Jahren habe ich mich Schritt für Schritt vorgearbeitet, um auch die komplexeren Funktionen von Pro/E nutzen zu können. Zurzeit arbeite ich jedoch nur etwa zwei Stunden pro Woche am System. Aber auch das ist kein Problem, da es leicht zu bedienen ist, speziell wenn man auf die Referenzkarten von Inneo zurückgreifen kann«. Seit kurzem ist auch ein Space-Pilot Pro im Einsatz. »Die 3D-Maus hat sich schon nach kurzer Zeit bezahlt gemacht. Die frei programmierbaren Tasten ermöglichen blitzschnell den Zugriff auf die wichtigsten Funktionen, und die Orientierung des Modells ist viel sicherer als mit dem normalen Zeigegerät« erklärt Richard Baumgartner.

Orgeln sind mechanische Musikinstrumente von sehr hoher Komplexität – teilweise mit mehr als 1.000 Pfeifen – die fast ausschließlich als Unikate gefertigt werden. Die Orgelbauer in Europa sind außerdem sehr regional geprägt, sowohl vom Aufbau und der Materialauswahl als auch vom Klang. Insgesamt verfügt Deutschland – hier sind mehr als 50.000 Orgeln erfasst – noch über rund 150 Orgelbauwerkstätten mit etwa 2.000 Beschäftigten.

Die Pfeifen erzeugen ihre Töne durch einen Luftstrom, den so genannten Orgelwind. Der Organist kann von seinem Spieltisch aus einzelne Pfeifenreihen verschiedener Tonhöhen und Klangfarben (Register) ein- oder ausschalten. Die Ansteuerung der Pfeifen erfolgt über eine oder mehrere Klaviaturen – Manuale genannt – und teilweise über Pedale für die einzelnen Register. Dazu wird der Tastendruck über die Traktur mechanisch zu den Ventilen unter den Pfeifen geleitet. »Was sich hier vielleicht einfach anhört, ist für jeden Orgelbauer eine große Herausforderung«, betont Richard Baumgartner, »denn die mechanische Übertragung innerhalb der Orgel muss teilweise Entfernungen von bis zu 15 Metern zurücklegen. Dabei soll sich mit einem geringen Tastendruck das Ventil ohne Verzögerung öffnen.«
Schon immer musste im Orgelbau darauf geachtet werden, dass die Mechanik möglichst geräuschfrei arbeitet, damit der Musikgenuss nicht durch die Geräusche der Orgelmechanik beeinträchtigt wird. Deshalb wurden im Orgelbau lange Zeit so genannte Tuchlager eingesetzt, bei der die Bohrungen mit einem speziellen Filztuch ausgeleimt sind, so dass die Achse darin fast geräuschlos bewegt werden kann. Diese Tuchlager haben zwar eine relativ lange, aber doch begrenzte Lebensdauer, speziell wenn extreme klimatische Bedingungen wie in einer Kirche und aggressive Schadstoffe in der Luft durch Kerzen- und Weihrauch hinzukommen.
In Zusammenarbeit mit der Firma Igus hat Baumgartner Orgelbau in den 1990er Jahren neue Gleitlager entwickelt und dabei sehr innovative Materialien verwendet. »Bei der Entwicklung haben wir sehr viele Untersuchungen durchgeführt, bevor wir die neuen Lager auf den Markt brachten«, berichtet Richard Baumgartner. »Trotzdem sind wir auf viele Widerstände gestoßen, bevor die neuartigen Lager vom Markt respektiert und angenommen wurden.« Mittlerweile verbauen die Komponenten-Spezialisten für jede drehende und schwenkende Bewegung sowie jede Reibstelle in der Orgel ein passendes Polymergleitlager. Beispielsweise werden in einem kompletten Spieltisch bis zu 3.000 Buchsen und Lager verbaut. Zwar ist der Materialpreis der Polymergleitlager im Gegensatz zum Tuchlager etwas höher, aber der Zeitfaktor bei der Montage liegt nur bei rund einem Zehntel. Absolut entscheidend ist hier jedoch der Vorteil bezüglich der Lebensdauer. Ein Tuchlager müsste drei- bis viermal so oft ausgetauscht werden wie ein Polymergleitlager und außerdem übersteigt der Zerlegeaufwand den Materialpreis um das Dreißig- bis Vierzigfache. Folglich hat Baumgartner Orgelbau schon weit über eine Million Lager in den Komponenten beziehungsweise Baugruppen verbaut, die in die ganze Welt verkauft werden.

Auch bei der Auslegung und Fertigung der Metallpfeifen, setzen die Orgelbau-Spezialisten auf CAD-Unterstützung, unter anderem bei den Interpolationen für die Pfeifenreihen. Traditionell kommen für die Pfeifen so genannte Orgelmetalle, das heißt Zinn-Blei-Legierungen, zum Einsatz. Zum Teil wird das Orgelmetall von den Pfeifenmachern wie vor über 200 Jahren mit einem Gießschlitten auf eine mit einem Leinentuch bespannt Schieferplatte gegossen. Das erkaltete Blech von zwei bis drei Millimetern Stärke wird anschließend auf eine Trommel gespannt und mit einem Abdrehverfahren auf die gewünschte Stärke gebracht. Teilweise werden die Platten auch konisch bearbeitet, so dass die Pfeifen nach oben dünner werden, denn viele Parameter und Bearbeitungsfeinheiten haben Auswirkung auf den Klang der Pfeifen und deren Qualität und Langlebigkeit.

Aufgrund der CAD-Unterstützung ist es heute möglich, bei den Interpolationen für Pfeifenreihen mit rund 60 Tönen lediglich fünf oder sechs Probetöne direkt in der Kirche zu erzeugen. Diese werden dort anhand umfassender Testphasen bezüglich Klang und Nachhall festgelegt, um darauf aufbauend die restlichen Pfeifen zu dimensionieren. Die notwendigen Berechnungen erfolgten früher von Hand auf dem Papier. »Heute können wir die traditionell sehr aufwändigen Dimensionierungen in äußerst kurzer Zeit mit Pro/E anhand von Familientabellen automatisiert berechnen und diverse Varianten ausprobieren«, erläutert Richard Baumgartner. Die erforderlichen Zuschnitte werden vom System anhand von Abwicklungen direkt generiert, so dass der Aufriss dann maschinell durchführbar ist, wobei die ersten Betriebe jetzt anfangen die speziellen Bleche mit Wasserstrahl zu schneiden.

»Wir konstruieren und fertigen auch Biegevorrichtungen für Drähte und andere kleine Apparate für den Orgelbau, um die tagtäglichen Arbeiten des Orgelbauers zu erleichtern«, berichtet Richard Baumgartner und ergänzt: »Jedoch ist unser Komponentenkatalog die wichtigste Stütze unseres Erfolges. Dadurch haben wir eine enorme Erweiterung unseres Kundenstamms erreicht und sehr viele positive Reaktionen erhalten. Viele Kunden dachten, die Abbildungen wären echte Fotos und haben nicht erkannt, dass sie es mit gerenderten CAD-Modellen zu tun hatten.« Demnächst soll zusätzlich auch ein Internet-Auftritt mit dem Angebotsportfolio von Baumgartner Orgelbau fertig gestellt werden, um so die bisherige digitale PDF-Version des Katalogs zu ergänzen. Der Katalog basiert komplett auf gerenderten Bildern, damit auch bei Erweiterungen ein einheitliches Erscheinungsbild gewährleistet werden kann. Mit Hilfe der vollständig in Pro/Engineer integrierten Rendering-Software KeyShot ist es kein Problem, die fotorealistischen Darstellungen immer mit dem gleichen Hintergrund und derselben Beleuchtungsszene zu generieren.

»Aufgrund der HDRI-Technologie, das steht für ›High Dynamic Range Images‹ lassen sich die 3D-CAD-Modelle aus Pro/E mit komplexer Beleuchtungssituation einer realen Szene kombinieren«, erklärt Richard Baumgartner, der sich als passionierter Hobbyfotograf schon seit 25 Jahren mit der Perfektionierung von Bildbeleuchtungen beschäftigt. »Mit Hilfe von natürlichen Reflektionen und Schatten erhalten die Darstellungen innerhalb von KeyShot eine einzigartige Ausdrucksstärke einen bisher kaum gekannten Realismus, wobei sich alle notwendigen Parameter für die Bilderzeugung wie Materialdefinitionen und Beleuchtungsszenarien sehr einfach und intuitiv festlegen lassen und genauso einfach modifizierbar sind. Die schnelle Erlernbarkeit hat mich als Autodidakten besonders begeistert.«

Auf Fachtermini wie Raytracing, Global Illumination und Environment Image soll hier nicht näher eingegangen werden, aber sie sorgen bei KeyShot für eine außergewöhnlich hohe Bildqualität, die in kürzester Zeit erreicht wird. Die Vorschau des Bildes wird kontinuierlich verfeinert, bis die Darstellung ihre endgültige Qualität erreicht hat. Die hohe Interaktivität sorgt dafür, dass jede Änderung sofort sichtbar wird. Erst wenn das Vorschaubild den Vorstellungen des Anwenders hundertprozentig entspricht, startet dieser die endgültige Rendering-Funktion, um das Bild mit vollständiger Auflösung und optimaler Qualität als TIF- oder JPG-Datei zu erzeugen. »Bisher benötigten wir mit der zuvor eingesetzen Rendering-Software meist mehrere Stunden, um eine fotorealistische Darstellung in hoher Qualität und Auflösung zu erzeugen, das können wir jetzt mit KeyShot in wenigen Minuten erledigen«, berichtet Richard Baumgartner voller Euphorie. Denn zur Erstellung des 150 Seiten umfassenden Kataloges haben sich bei ihm rund 2.000 Stunden aufsummiert, die er hauptsächlich nachts vor dem Computer-Bildschirm verbracht hat. Neben der einfacheren Erstellung und Erweiterung des Kataloges erleichtert die neue Rendering-Software auch die Kommunikation mit dem Kunden. Anhand von einfachen Skizzen des Kunden kann Richard Baumgartner sehr schnelle entsprechende 3D-CAD-Modelle generieren und darauf basierend die gerenderten Ansichten erzeugen. »Das erleichtert und beschleunigt die Entscheidungsfindung beim Kunden und erspart uns oftmals den zeit- und kostspieligen Musterbau, da wir ihm auch Ausführungen mit den unterschiedlichsten Materialien präsentieren können«, betont Richard Baumgartner. Eine Orgel besteht zu etwa 70 Prozent aus Holz, wobei rund 80 verschiedene Holzarten zum Einsatz kommen können. Deshalb soll jetzt die Materialdatenbank von KeyShot Schritt für Schritt erweitert werden. Im Holzbereich haben die Orgelspezialisten von Baumgartner eine Fertigungstiefe von mehr als 90 Prozent erreicht. Aufgrund des sehr hohen Veredelungsgrades besteht kostenbezogen ein Lohn/Material-Verhältnis von rund 70 zu 30 Prozent. Die Bearbeitungen für die wiederkehrenden Profile sind in den streckengesteuerten Maschinen, von denen eine rund 50.000 Euro kostet, gespeichert, so dass eine schnelle Umrüstung unproblematisch ist. Folglich kann ohne Probefräsung direkt gefertigt werden. Dabei handelt es sich teilweise um sehr filigrane Teile, die eine Genauigkeit von 2 bis 3 Hundertstel Millimeter erfordern. Die Fertigungsstückzahlen liegen in den meisten Fällen zwischen 30 und 3.000 Teilen pro Serie. Insgesamt muss bei einer Orgel mit etwa 200.000 bis 300.000 Bauteilen gerechnet werden.

Als zusätzlichen Vorteil des 3D-CAD-Einsatzes nennt Richard Baumgartner die Wiederverwendung der schon vorhandenen CAD-Modelle: »Wir können auch noch nach Jahren das einmal gefertigte Teil mit genau den gleichen Maßen in der gewünschten Qualität fertigen, da die 3D-Modelle mit der Bestellung in unserem System gespeichert sind.« Die nächsten Optimierungsprojekte bei Baumgartner Orgelbau befassen sich mit der weiteren Standardisierung und Modularisierung der Komponenten und Baugruppen, um eine noch effizientere Variantenerzeugung realisieren zu können. Beispielsweise sollen die Orgelspieltische in einzelne Modulbaugruppen aufgeteilt werden.

»Unsere Investitionen in neue Technologien haben sich bezahlt gemacht«, fasst Richard Baumgartner abschließend zusammen. »Die präzisen 3D-CAD-Modelle, die wir direkt für die Fertigung nutzen können, die sehr schnell generierten fotorealistischen Darstellungen und auch die automatisierte Zeichnungsableitung bringen uns nicht nur erhebliche Zeitvorteile, sondern auch eine hohe Konstruktionssicherheit und eröffnen uns neue Optimierungspotenziale. Das ist für uns gemeinsam mit dem englischsprachigen Katalog eine wichtige Grundlage, um den stark steigenden Exportanteil, der zur Zeit bei 30 Prozent liegt, noch weiter zu erhöhen.« -fr-

www.baumgartner-orgelteile.de http://www.inneo.de

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