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Synchronous Technology in NX: Das Beste aus beiden Welten

Der klassische Gegensatz zwischen historienbasierter, parametrischer Modelliertechnik und historienfreiem Modellieren ist CAD-Geschichte. Mittlerweile erlauben die meisten Systeme einen flexibleren Umgang mit der Parametrik bis hin zur Kombination beider Ansätze. Der CAD-CAM-Report stellt im Rahmen dieser Serie über neue Modelliertechniken in Teil 2 die Synchronous Technology von Siemens PLM Software vor, wie sie in der aktuellen Version des CAD/CAM/CAE-Systems NX implementiert ist.
Synchronous Technology in NX: Der Lüfter des Opel Insignias wird synchron – trotz seiner 2000 Elemente – verschoben, einschließlich der Topologieänderung am Rahmen, um Platz für zwei kleinere Lüfter zu schaffen. Zulieferteile wie solch ein Lüfter werden meist ohne Parameter an den OEM übergeben. (Bilder: Siemens PLM Software)

Die Synchronous Technology (ST) ist die Antwort von Siemens PLM Software auf Anforderungen der Fertigungsunternehmen, die mehr Flexibilität bei Modelländerungen, bei der Weiterverarbeitung von Daten aus Multi-CAD-Umgebungen und bei der Aufbereitung der Modelldaten für Folgeprozesse erwarten. Technologisch bedeutet der Ansatz insofern einen Paradigmenwechsel, als er die enge Verzahnung von Feature-Technologie und Konstruktionshistorie aufhebt, wie man sie aus klassischen, parametrischen Systemen kennt. Die Synchronous Technology erlaubt eine featurebasierte Modellierung, das heißt das Arbeiten mit bestimmten geometrischen oder funktionalen Konstruktionselementen und sogar die Definition von Abhängigkeiten zwischen ihnen, ohne eine bestimmte chronologische Reihenfolge einhalten zu müssen. Geometrie, Regeln und Abhängigkeiten einschließlich der topologischen Zusammenhänge und Nachbarsituationen werden zeitgleich – das heißt synchron – berechnet, was der Technologie ihren Namen gab. Alleinstellungsmerkmal der Synchronous Technology ist die Kombination von parametrischen und freien Modellieroperationen mit der Möglichkeit der nachträglichen Parametrisierung. In der Art, wie sie in NX implementiert ist, kann man sie sowohl im Kontext der historienbasierten Modellierung nutzen, um bestehende NX-Modelle schneller zu ändern oder neue mit einem Mix aus parametrischen und synchronen Funktionen zu erzeugen, als auch für die schnelle Modifikation von importierten CAD-Daten oder die Modellerstellung ohne Historie. Die im historienfreien Modus verwendeten, synchronen Feature-Operationen werden zwar in keinem Strukturbaum aufgezeichnet, sind aber im Modell immanent vorhanden (local features) und können für spätere Änderungen genutzt werden.

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ST-Engine als technologische Basis

Die Synchronous-Technology-Architektur besteht aus drei Schichten:

Für die Topologie-Erzeugung ist der robuste Parasolid-Kern zuständig, den Siemens PLM Software überarbeitet hat, damit er die ST-Funktionalität optimal unterstützt.

Der ebenfalls weiter entwickelte Constraint-Solver D-Cubed erkennt und managt geometrische Beziehungen wie Symmetrie, Tangentialität, Parallelität und so weiter in Skizzen oder 3D-Modellen.

Die wesentlichen technologischen Komponenten für die synchronen Modellieroperationen wie Face Finder und Feature Finder stecken in der Siemens-eigenen ST-Engine, die der Softwarehersteller sowohl in NX als auch in Solid Edge individuell implementiert hat.

Der Face Finder bietet Selektionsmechanismen für die Identifizierung von parallelen, koplanaren, tangentialen, koaxialen oder benachbarten Flächen beziehungsweise den Deckflächen eines bestehenden NX-Features, die der Anwender synchron bearbeiten möchte. Die Selektion bleibt aktiv, so dass die Operationen auch auf nachträglich selektierte Flächen angewandt werden – wobei der Anwender die Auswirkungen auf sein Modell sofort sehen und bewerten kann. Flächenübergänge und Verrundungen passen sich automatisch an. Die Reblending-Funktion in NX erzeugt keine Fillet-Features im klassischen Sinne, sondern analysiert die topologischen Zusammenhänge und berechnet die erkannten Verrundungen auf Basis der synchronen Änderungen neu. Die Synchronous Technology erkennt selbst komplexe Verrundungssituationen mit konvex-konkaven Übergängen, die sich in Echtzeit an die neue Umgebungsgeometrie anpassen, so dass der Anwender ein unmittelbares grafisches Feedback bekommt.

Der Feature Finder identifiziert auch bei unparametrischen Daten mittels intelligenter Suchalgorithmen zusammengehörige Bereiche wie zum Beispiel Dome, Taschen, Durchbrüche oder Rippen, die dann wie ein Feature behandelt, das heißt verschoben, ausgeschnitten oder kopiert werden können. Man kann diese ermittelten Bereiche als Konstruktionselemente für die Wiederverwendung sogar in einer Bibliothek ablegen. Die Software erkennt außerdem identische Geometrieelemente und ihre Bezüge zueinander als Muster, die mit wenigen Mausklicks modifiziert werden können. Außerdem lassen sich diese Muster in andere Bauteile einfügen, wo sie sich automatisch der neuen Umgebungsgeometrie anpassen.

Komfortable Deckflächenmanipulation

Die wichtigsten synchronen Funktionen wie Flächen ziehen, verschieben, löschen, ersetzen, ausschneiden oder einfügen oder Beziehungen und 3D-Maße definieren sowie Verrundungen vergrößern oder verkleinern findet der Anwender in seiner NX-Oberfläche in einer übersichtlichen Werkzeugliste (tool bar). Er zieht, verschiebt oder rotiert die selektierten Flächen mit Hilfe eines intuitiv zu bedienenden 3D-Manipulators namens OrientXpress, der sich mit einem Mausklick von translatorischen auf rotatorische Bewegungen umschalten lässt. Entscheidend für den Bedienkomfort ist, dass man seine 3D-Bauteile auch über das Verschieben der Kanten in einer Schnittansicht verändern kann, wie man es aus der klassischen Skizzierumgebung gewohnt ist. Die Flächen lassen sich nicht nur interaktiv manipulieren, sondern auch über die Eingabe von exakten Maßen oder Winkeln in die gewünschte Position bewegen, wobei der Anwender festlegen kann, welche Maße die Geometrie steuern sollen und welche sich nicht verändern dürfen (treibende und bleibende Maße). Den synchron erzeugten Features können Formeln hinterlegt werden, so dass sie sich ähnlich wie parametrische Features verhalten. Allerdings werden die definierten Constraints (Randbedingungen) aufgelöst, ohne die Konstruktionshistorie wieder aufrollen zu müssen. Dank dieser Eigenschaft lassen sich parametrisch aufgebaute Modelle mit Hilfe der Synchronous Technology um ein Vielfaches schneller ändern als mit den herkömmlichen, parametrischen Funktionen.

Der Anwender kann beispielsweise eine Tasche an einem komplexen parametrischen Gussteil vergrößern, ohne im Konstruktionsbaum nach der dazu gehörigen Skizze beziehungsweise dem betreffenden 3D-Feature suchen zu müssen – um dann bei der Änderung festzustellen, dass die neuen Abmessungen mit einer später in der Historie definierten Geometrie kollidieren. Mit den synchronen Funktionen klickt er einfach eine Fläche der Tasche an – die dank Feature Finder als solche erkannt wird – und ändert ihre Abmessungen. Er definiert dabei lokal zwei neue Features wie Länge und Breite, die chronologisch am Ende des Historienbaums sitzen und alle vorgehenden Operationen übersteuern. Der Baum wird nicht aktualisiert, sondern wächst einfach weiter, so dass die Geschichte der Modelländerungen einschließlich der synchronen Operationen dokumentiert wird und auch für andere Anwender nachvollziehbar bleibt.

Die synchron definierten Features übersteuern allerdings im Kontext der historienbasierten Arbeitsweise nicht grundsätzlich alle parametrischen Modelloperationen. Wenn der Anwender sie beispielsweise nutzt, um schnell ein Konzeptmodell aufzubauen, das er dann ab einem bestimmten Reifegrad mit den normalen parametrischen Feature-Operationen weiter bearbeiten möchte, steuern diese Features in chronologischer Reihenfolge die weitere Modelldefinition. Alte und neue Welt sind auf diese Weise in NX nahtlos integriert, so dass der Anwender jeweils die für seine Aufgabe beste Funktion wählen kann.

Erweiterte Modellieroptionen

Bei der Arbeit mit importierten Daten, die normalerweise ohne Historie und Strukturen im Zielsystem ankommen, erlaubt die Kombination von Face Finder und Feature Finder die Identifizierung und Manipulation von komplexen Flächenverbänden und -beziehungen, etwa einer Versteifungsrippe zwischen zwei Schraubdomen einer Kunststoffschale. Man kann die Rippe dann einschließlich der Verrundungen einfach per Drag & Drop verschieben oder sogar in ein anderes Bauteil einfügen, wo sie sich automatisch an die neue Umgebungsgeometrie anpasst. Sofern Face-Finder-Flächen aufgrund der mangelnden Qualität der Ausgangsdaten nicht als direkt modifizierbare Geometrie erkannt werden, lassen sie sich mit den integrierten Cleaning- und Healing-Funktionen reparieren und optimieren.

Siemens PLM Software hat den Funktionsumfang der Synchronous Technology in den letzten Jahren dahingehend weiterentwickelt, dass neben maschinenbautypischen Bauteilen auch andere Geometrieformen mit synchronen Operationen bearbeitet werden können. Ein wichtiger Schritt in diese Richtung war die Abbildung der erforderlichen Semantik für die Arbeit mit dünnwandigen Kunststoffteilen und Blechteilen im Feature Finder, die beispielsweise die Biegelappen eines Blechteils zuverlässig erkennt, so dass sie mit den synchronen Funktionen verschoben oder verändert werden können. Die aktuelle Version NX 7.5 bietet dem Anwender zudem die Möglichkeit, ästhetisch ansprechende Oberflächen synchron zu erzeugen und zu modifizieren. Dazu wählt er einfach die Deckflächen des Volumenkörpers an und zieht sie an den Stützpunkten und Leitkurven in die gewünschte Richtung. Die Nachbarflächen und Verrundungen passen sich entsprechend der vorgegebenen Randbedingungen bezüglich Tangentialität und anderen Punkten dynamisch an – und können sogar nachträglich mit einer G2-Stetigkeit versehen werden. Die synchron erzeugten Flächen sind präzise NX-Daten, die dank der Assoziativität von der Konzeptphase bis zur mechanischen Bearbeitung der Bauteile beziehungsweise der formgebenden Werkzeuge genutzt werden können.

Die Funktionsweise der Synchronous Technology im Allgemeinen und ihre Implementierung in NX im Besonderen ermöglicht den Anwendern Effizienzsteigerungen bei einer Vielzahl von Aufgaben im Produktentwicklungsprozess. Die Technologie beschleunigt nicht nur die Änderung von parametrischen Modellen, weil die mühselige Suche nach den zu ändernden Features und die zeitaufwändige Neuberechnung des Modells entfallen; sondern dank der Erweiterung des Funktionsumfangs auf dünnwandige Teile und Freiformflächen sowie der Fähigkeit, die synchron definierten Features zu editieren, kann sie auch als Motor für die Erzeugung von neuen Bauteilen aller Art eingesetzt werden. In der frühen Konzeptphase, in der die Entwickler noch nicht genau wissen, wie ihre Konstruktion am Ende aussehen wird und vor allem welche Bauteile sich später im Rahmen der Variantenkonstruktion wie ändern werden, bietet ihnen das synchrone Modellieren ein hohes Maß an Flexibilität, ohne dass sie im weiteren Verlauf der Detaillierung auf die Vorteile der Parametrik verzichten müssten. Gleichzeitig können Anwender, die keine CAD-Experten sind, die synchronen Funktionen im Rahmen von Design-Reviews nutzen, um ihre Änderungsvorschläge ohne Kenntnis der Konstruktionshistorie gleich am 3D-Modell umzusetzen, statt sie über Redlining-Funktionen und Anmerkungen zu kommunizieren. Das trägt maßgeblich dazu bei, Abstimmungs- und Entscheidungsprozesse zu beschleunigen.

Durch ihre leistungsfähigen Funktionen für die Modifikation von importierten Daten unterstützt die Synchronous Technology die verteilte Produktentwicklung von Herstellern, Ingenieurbüros und Zulieferern in einer Multi-CAD-Umgebung. Die Partner können CAD-Daten aus anderen Systemen in NX importieren, gegebenenfalls reparieren und mit synchronen Features anreichern, so dass sie sich schnell und komfortabel ändern lassen. Da die synchronen Features mit treibenden und bleibenden Maßen sowie den hinterlegten Regeln bei der Aktualisierung der importierten Modelle erhalten bleiben, stehen sie für weitere Änderungsschleifen zur Verfügung. Die Synchronous Technology erleichtert zugleich die Migration von Altdaten, die mit historienfreien oder einem anderen historienbasierten CAD-System erzeugt wurden. Sie können in der NX-Umgebung mit Feature-Informationen angereichert und beispielsweise für Änderungskonstruktionen genutzt werden. Die synchrone Modellierung erschließt den Unternehmen nicht nur bei der Produktentwicklung, sondern auch in den Folgeprozessen enorme Nutzenpotenziale. Mit Hilfe der synchronen Funktionen lassen sich die Modelldaten aus der Konstruktion unter Beibehaltung der Assoziativität sehr komfortabel für CAE-Berechnungen, NC-Programmierung oder die 3D-Produktdokumentation aufbereiten. Die Synchronous Technology erlaubt zudem die Definition von mehreren gleichzeitig aktiven Feature-Systemen auf der Basis eines einheitlichen Geometriemodells, das heißt der CAM-Programmierer kann mit Hilfe der synchronen Operationen seine fertigungsrelevanten Bauteilbeziehungen abbilden, ohne sich um den Modellaufbau aus Konstruktionssicht Gedanken machen zu müssen.

Dank der nahtlosen Integration von parametrischer und synchroner Modelliertechnik in NX brauchen sich die Produktentwickler keine Gedanken darüber zu machen, welche Aufgaben sie mit welchen Funktionen erledigen möchten. Die synchronen Funktionen sind so intuitiv zu bedienen, dass man sie auch Anwendern in anderen Disziplinen in Form eines auf ihre Bedürfnisse zugeschnittenen Subsets zur Verfügung stellen kann. Damit trägt die Technologie maßgeblich zu einer breiteren und effizienteren Nutzung der 3D-Daten im gesamten Unternehmen bei. -co-

Michael Wendenburg ist Fachjournalist in Sevilla.

Siemens Industry Software GmbH & Co. KG, Köln Tel. 0221/20802-0, http://www.siemens.com/plm

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