smart engineering - Industrie 4.0 aus einer Hand
Home> Market> News> Konfiguratoren> Automatisierte Konstruktion und effiziente Produktkonfiguration

CAD-CAM-TechnologieAutomatisierte Konstruktion und effiziente Produktkonfiguration

Christian Wichmann München

sep
sep
sep
sep
CAD-CAM-Technologie: Automatisierte Konstruktion und effiziente Produktkonfiguration
Die parametrischen CAD-Systeme bieten gute Voraussetzungen für die Baukastenkonstruktion. Ergänzende Applikationen integrieren die Logik, die für umfassende Produktkonfiguratoren und automatische Generierung der Fertigungs- unterlagen komplexer Produkte erforderlich ist.

Der globale Wettbewerb übt auf die Maschinen- und Anlagenbauunternehmen aller Branchen einen hohen Kostendruck aus. Er zwingt sie zu überlegter, vorausschauender Planung ihrer Produkte, denn die Kunden erwarten eine flexible Konfiguration der gewünschten Maschine oder Anlage, die Realisierung individueller Anpassungen, eine rasche Verfügbarkeit und breite Ausbaufähigkeit – und das alles zu Preisen von Serienprodukten. Spezielle Wünsche bedeuten in der Regel aber kostspielige Sonderanfertigungen, deren Preis zum Zeitpunkt der Angebotserstellung oft nicht exakt zu kalkulieren ist. Immer kürzere Produkt-Lebenszyklen als Folge einer rasanten technologischen Entwick- lung erhöhen die Risiken.

Anzeige

Wer erstrebenswerte Ziele wie die Erfüllung der individuellen Kundenwünsche bei schnellerer Auftragsabwicklung und niedrigen Fertigungskosten unter einen Hut bringen will, kommt um ein modulares Baukastensystem nicht herum: Produktfamilien müssen in möglichst wenige, aber vielfach verwendbare Bauteile und Baugruppen gegliedert werden, welche die Konfiguration einer optimalen Zahl von Variantenlösungen erlauben (Bild 1). Die Formel, die das Problem lösen hilft, lautet: Standardisierung, Mehrfachverwendung von Teilen und Baugruppen, möglichst weitgehende Automatisierung der Produktkonfiguration im Vertrieb, in der Konstruktion und in der Produktion. Das Prinzip, das sich bei Normteilen und Halbzeugen bewährt, wird ausgedehnt auf Baugruppen und komplette Produkte.

Die parametrischen 3D-Konstruktionssysteme unterstützen den Aufbau von standardisierten Bauteilen besonders effizient (Bild 2 und 3). Parametrische Einzelteile stellen den einfachsten Fall von standardisierten Produktfamilien dar. Ein typisches Beispiel ist die genormte Reihe der Sechskant-Schrauben: Ein einziges parametrisches Modell mit den Variablen Nenndurchmesser und Schraubenlänge beschreibt die Bauteile eindeutig, wobei weitere Größen – wie Schlüsselweite und Kopfhöhe – über eine Tabelle zugeordnet sind. Die in der Norm festgelegten Parameter sind mit dem virtuellen Teil oder in einer Excel-Tabelle abgespeichert und mit den Variablen des Bauteils verknüpft. Der Konstrukteur muss sich nur um die frei wählbaren Nenngrößen kümmern, die übrigen Größen kennt das System und generiert daraus automatisch bei Bedarf das gewünschte Bauteil. Dieses Prinzip lässt sich einfach auf Halbzeug-Normen und die firmenspezifische Standardisierung von häufig wiederkehrenden Teilen anwenden.

Die bewährten parametrischen Verfahren für die Konstruktion von Komponenten sind auch für die Konstruktion von Baugruppen nutzbar. Analog zu den Einzelteilen lassen sich die parametrischen Baugruppen als tabellarisch definierte Zusammenstellung von Komponenten darstellen. Die auf diese Weise aus einer Mutter-Baugruppe (auch Master-Baugruppe genannt) ad hoc abgeleiteten Tochter-Baugruppen bilden eine abgestufte, standardisierte Produktfamilie, etwa eine Familie von Hydraulikzylindern mit abgestuften Hubklassen und unterschiedlichen Ausprägungen der Anschlusspunkte oder eine Familie von Spannelementen für den Vorrichtungsbau. Die Methode lässt sich aber auch einsetzen, um standardisierte Baugruppen mit beliebig variablen Elementen zu kombinieren, beispielsweise bei Gebäudeliften mit standardisierten, abgestuften Antriebselementen und Türen, die mit gebäudespezifischen variablen Einbauelementen, passend für den vorgegebenen Liftschacht automatisch generiert werden.

Durchdachte Systeme ermöglichen Baugruppenkonfigurationen, die umfassend und flexibel alle denkbaren Wünsche abdecken, denn der Anwender kann einfach eine vorhandene Baugruppe verwenden und sie in eine parametrische Baugruppe umwandeln. Anschließend ist die Baugruppenkonfiguration (Mutter-Baugruppe) nach seinen Wünschen modifizierbar. Soll eine abgeleitete Tochterbaugruppe geändert werden, so lässt sie sich aktivieren und anpassen. Das kann beispielsweise die Entfernung einer Komponente in einer bestimmten Variante bedeuten, oder auch die Einbeziehung zusätzlicher Elemente, veränderte Einbaubedingungen sowie eine alternative Befestigungsart. Logische Bedingungen – etwa if-then-else Konstruktionen – wie sie von Tabellenkalkulationen bekannt sind, dienen dazu, Konfigurationsvarianten zu definieren, die nicht geometrisch-ähnlich sind. Ein Beispiel wäre eine Transportkette, deren Größe und die der Kettenräder und des Gestells von der Transportlast abhängen. Weiterhin legt die Gesamtlänge der Transportkette fest, ob beziehungsweise wie viele Zwischenabstützungen notwendig sind. Auch nicht-geometrische Parameter wie die Belastung kann der Konstrukteur in eine Formel einbauen, um beispielsweise den Querschnitt eines tragenden Bauteils festzulegen.

Wichtig ist dabei, dass der Baugruppenkonfigurator alle abgeleiteten Varianten (Töchter) in einer Stückliste erfasst. Die Darstellung der Baugruppen in einer Strukturansicht, welche die zusammengesetzte Stückliste enthält, hilft, die Übersicht zu behalten und korrekte Daten zu liefern. Jede Konfiguration wird in einer separaten Spalte erfasst, in der die Stückzahlen der Komponenten aufgeführt sind (Bild 4).
Somit lässt sich zum Beispiel ein komplettes Produktprogramm von Maschinenschutz-Vorrichtungen mit unterschiedlich großen Elementen und Befestigungen oder eine abgestufte Palette von Linearachsen mit Zubehör als parametrische Baugruppen komplett beschreiben. Konsequenterweise unterstützt ein integriertes PDM-System die Baugruppenkonfiguration, unter anderem die Auswahl einzelner Elemente einer Konfiguration sowie das Check-out und Check-in. Es hilft auch, die übergeordnete Mutter-Baugruppe eines Elements aufzufinden, oder festzustellen, in welchen weiteren Baugruppen die Komponente verwendet wird. Ebenso kann über das PDM-System die Warenwirtschaft automatisch mit den korrekten Daten versorgt werden und umgekehrt erhält die Konstruktion über das PDM-System die Artikeldaten aus dem ERP-System.

Auch die Ableitung parametrischer Zeichnungen mit Maßtabellen ist sinnvoll. Tabellierte Zeichnungsdarstellungen für die Fertigung oder die Montage lassen sich sowohl für die parametrischen Mutter-Baugruppen als auch ihre variablen Einzelteile generieren. Natürlich ist auch der Zeichnungssatz für eine spezifische Ausprägung (Tochter-Baugruppe) schnell und weitgehend automatisch erzeugt.

So nützlich die parametrische Konstruktion ist, hat sie doch auch Limitierungen. Die Grenzen werden offenbar, wenn es gilt, logische Bedingungen zu definieren, mit Boole’schen Operatoren oder Textelementen (strings) zu arbeiten, Variablen mit Listenwerten zu belegen, Gültigkeitsbereiche von Parametern festzulegen oder mit nicht-geometrischen Attributen wie Farbe und Material zu arbeiten. Um solche höheren Ansprüche an die Produktkonfiguration zu erfüllen, haben die Software-Hersteller ergänzende Lösungen entwickelt. Sie geben den parametrischen CAD-Systemen einen Logik-Überbau, der selbst keine Geometrie erzeugt, aber dazu dient, parametrische Modelle und Baugruppen mit den notwendigen Werten zu beliefern, die aus der regelbasierten Logik-Lösung kommen. Solche Verfahren, beispielsweise iLogic für Autodesk Inventor, verwenden Visual Basic als Programmiersprache zusammen mit angepassten Funktionen, um die parametrischen Modelle zu steuern. Dadurch bleiben die Anforderungen an die Programmierkenntnisse niedrig und die Möglichkeiten, die Lösung anzupassen und zu erweitern, sehr hoch.

Die Logiklösung ist in der Lage, Produktmerkmale aufgrund von logischen Bedingungen zu unterdrücken (Bild 5). Sie erlaubt Antrieb A durch Antrieb B mit Hilfe einer einfachen »if...then...else«-Bedingung zu ersetzen. Vor allem muss nicht jede mögliche Variante durch eine Zeile in der Tabellenkalkulation abgedeckt werden. Ein regelbasiertes Logikmodul bietet somit wesentlich mehr Flexibilität als die rein parametrische Steuerung von Zusammenbauten über eine Tabelle.

Noch einige Schritte weiter gehen Automatisierungslösungen, die Datenbank-orientiert arbeiten und daher noch mehr Flexibilität bieten, um Zeichnungsableitungen zu steuern und ergänzende Applikationen, wie etwa die Angebotserstellung mit Hilfe einer Textverarbeitung zu integrieren. Lösungen dieser Art sind Expertensysteme oder Entwicklungsumgebungen zur Automatisierung, sowohl der Angebotserstellung als auch der kompletten CAD-Konstruktion. Anwendungsfälle sind in allen Branchen zu finden, zum Beispiel konfigurierbare Fördertechnik mit Gurt- und Rollenfördersystemen, standardisierte Gebäudelifte, der Behälterbau in der Verfahrenstechnik oder der Fensterbau in der Gebäudetechnik.

Die Logik einer solchen Entwicklungsumgebung, wie sie Autodesk beispielsweise mit Inventor Automation Professional bietet, ist wieder verwendbar und ermöglicht vollständige Applikationen, etwa die Automatisierung der Angebotserstellung der erwähnten Förderanlagen oder einer Hydraulikpresse einschließlich der Generierung der dazugehörigen Dokumentation und Fertigungsunterlagen (Bild 6). Typischerweise baut ein Entwickler mit entsprechendem Wissensvorsprung die Programm-Logik auf. Die einzelnen Anwender sollen sich nicht damit herumschlagen. Deshalb empfiehlt sich die Unterscheidung in einen Entwickler- und Anwender-Bereich.

Der Entwickler muss die Konfigurationsregeln erfassen und in der wieder verwendbaren Logik festschreiben. Für seine Ausbildung sind zwei Wochen Training und kompetente Unterstützung in der Einführungsphase einzuplanen. Er sollte neben einem Verständnis für die Konstruktionsaufgaben und die Anforderungen der Konfiguration einen Sinn für komplexe logische Strukturen mitbringen, nicht zwangsläufig die Kenntnis einer Programmiersprache, wenn die Automationslösung benutzerfreundlich gestaltet ist. Die Anwender benötigen dagegen nur eine kurze Einweisung in die Bedienung und Randbedingungen eines so entstandenen »Produktkonfigurators« oder einer »Konstruktionsautomation«.

Regeln sind das Grundgerüst einer solchen Automationslösung. Sie beschreiben geometrische und räumliche Bedingungen, die Größe und Topologie (Ausprägung) von Komponenten und Baugruppen, berücksichtigen Normen und Standards, integrieren Berechnungen externer Programme oder Informationen aus Datenbanken, um beispielsweise eine Zahnradgeometrie, Materialverbrauch oder Preise zu berechnen, ergänzen Fertigungsinformationen, kalkulieren daraus Kosten und Preise, steuern und formatieren die Ausgabe in Textverarbeitungen und Tabellenkalkulationen, um damit komplette Angebote zu generieren.

Die Automations-Software übernimmt die innerhalb des CAD-Systems entwickelten Bauteile und Baugruppen idealerweise direkt in ihre Regelmodelle und bietet damit enorme Zeitersparnisse. Folglich muss der Entwickler nicht bei Null anfangen, sondern kann vorhandene Konstruktionen nutzen und diese mit der Automationslösung zu regelbasierten Variantenmodellen erweitern.

Wenn ein Unternehmen sein Produktangebot mit einem Produktkonfigurator beschreibt, unterwirft es sich einerseits einer sorgfältig geplanten Standardisierung, die in dem Automationsmodell formuliert ist. Diese Standardisierung führt für sich bereits zu beträchtlichen Kostenvorteilen in der Fertigung. Andererseits ist das Unternehmen aber auch in der Lage, kundenspezifische Produktkonfigurationen sehr effizient zu realisieren und damit seinen Kunden einen besonderen Service mit kurzen Lieferzeiten zu bieten. Die Automatisierung der Konstruktion und Angebotserstellung reduziert den Aufwand im Vertrieb und in der Produktentwicklung um bis zu 80 Prozent wie die Erfahrung zeigt, sobald der Initialaufwand einmal geleistet ist. -fr-

Autodesk GmbH, München christian.wichmann@autodesk.com

Diesen Artikel …
sep
sep
sep
sep
sep

Weitere Beiträge zum Thema

PLM-Verantwortlicher

AusbildungPersonenzertifizierung für PLM-Verantwortliche

Die erfolgreiche Durchführung der Integration und Steuerung von Informationen aus dem Produktlebenszyklus – der Kernaufgaben des Product Lifecycle Managements - ist anspruchsvoll.

…mehr
Kühlerschutzgitter

Projekt- und Product Lifecycle ManagementWie Integration mehr Potenziale erschließt

Die Erfahrungen vieler Unternehmen zeigen, dass die Verbindung von Projekt- und Product Lifecycle Management die Effizienz im Produktentstehungsprozess nachhaltig steigert. Automobilzulieferer Gerhardi nutzt deshalb CIM Database mit einer integrierten Projektlösung.

…mehr
Produktkonfigurator: 30 Jahre Camos

Produktkonfigurator30 Jahre Camos

Der Anbieter von CPQ-Lösungen (Configure Price Quote), Camos, feiert sein 30-jähriges Bestehen.

…mehr
3D-Produktkonfigurator: Von Angebot bis Montage

3D-ProduktkonfiguratorVon Angebot bis Montage

Mit der Version 9.1 des 3D-Produktkonfigurators PX5 sollen Industrie-Unternehmen sämtliche Prozesse von der Angebotserstellung über die Produktkonfiguration und Montage bis zur Aufstellung bei den Kunden optimieren können.

…mehr
Multi-Projektmanagement: Teile und Herrsche

Multi-ProjektmanagementTeile und Herrsche

Kürzere Innovationszyklen und die Versorgung lokaler Märkte weltweit führen dazu, dass Unternehmen immer mehr Entwicklungsprojekte gleichzeitig abwickeln müssen.

…mehr
Anzeige
Anzeige

Anzeige - Highlight der Woche

COSCOM Digital-PROZESS Meetings

Einladung zu COSCOM Digital-PROZESS Meetings

Mehr Profit vor dem Span! COSCOM connected …

… Manufacturing: CNC-Prozesse optimieren!

… Tool-Management: Rüstprozesse beschleunigen!

… Prozess-Management: Durchgängige Daten bis an die Maschine!

Aktuelle Termine und Orte hier

Anzeige - Highlight der Woche

Aras Whitepaper: Internet of Things - Kontext statt Chaos


Hier stellt Ihnen das Unternehmen Aras das Highlight der Woche vor.

White Paper jetzt kostenlos herunterladen!

Mediadaten 2018

Anzeige

White Papers auf smart engineering


In unserer neuen White Paper Sektion finden Sie lösungsorientierte White Paper unserer Partner zu IT-Standards, Anwendungshinweisen, Leistungsübersichten uvm. Jetzt kostenfrei downloaden.

Künstliche Intelligenz: Forschungsroboter “Roboy“ und Martina Mara

Video- Künstliche Intelligenz: Forschungsroboter “Roboy“ und Martina Mara


Welche Wirkung hat der Anblick von Robotern auf Menschen? Mit dieser Frage befasst sich das Team um Professor Markus Appel vom Campus Landau in einem aktuellen Forschungsprojekt. Mit ihrer Studien wollen die Forscher herausfinden, inwieweit wir Menschen künstliche Intelligenz als helfende Hand im Alltag akzeptieren oder ablehnen.

smart engineering in Social Networks

smart engineering Newsletter

smart engineering Newsletter kostenfrei abonnieren

Unser Newsletter informiert Sie über die wichtigsten Neuigkeiten, Produktentwicklungen und Trends aus der Branche. Jetzt kostenlos registrieren.

SCOPE Newsticker