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3D CAD-SoftwareModellgetriebene Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen

Der Aufbau eines vollständig parametrischen Modells eines Tiefziehwerkzeuges in einem 3D CAD-System ist in der Regel mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Demzufolge entscheiden sich viele Konstrukteure gegen diese Vorgehensweise. Vor diesem Hintergrund wird derzeit im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes durch das Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) und die Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik (GFaI) eine Methode zur modellgetrieben Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen entwickelt. Der Kern dieser Methode ist eine neu zu entwickelnde grafische Modellierungssprache für die Domäne der Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen.
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3D CAD-Software: Modellgetriebene Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen

Aus Modellen von Tiefziehwerkzeugen, die in dieser grafischen domänenspezifischen Sprache beschrieben wurden, können mittels Modelltransformationen parametrische CAD-Modelle generiert und durch Geometriemodellierung in 3D CAD-Systemen vervollständigt werden. Auf diese Weise wird die Modellierung der parametrischen Abhängigkeiten leichter und weniger fehleranfällig.

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Herausforderungen bei der Entwicklung und Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen: Seit Jahren setzen die Unternehmen der blechverarbeitenden Industrie verstärkt parametrisch arbeitende 3D CAD-Systeme ein, um der steigenden Produktvielfalt, -komplexität und dem damit verbundenen Kostendruck zu begegnen. Jedoch erfordert der Aufbau eines vollständig parametrischen Modells in einem 3D CAD-System eine genaue Planung und Modellierung von Parameterzusammenhängen in und zwischen den einzelnen Bauteilen sowie Baugruppen [1]. Dieser zusätzliche Aufwand ermöglicht im Gegenzug zwar eine einfache Änderung des CAD-Modells beziehungsweise eine schnelle Erzeugung von Modellvarianten, jedoch entscheiden sich viele Konstrukteure aufgrund des hohen Zeit- und Kostendrucks gegen parametrische CAD-Modelle. Um dennoch Modelle zu erhalten, die die Produktlogik, Haupt- und Nebenfunktionen sowie Struktur- und Parameterzusammenhänge in Form von Regeln und Formeln abbilden, wird das CAD-Modell nachträglich erweitert. Diese Vorgehensweise ist jedoch sehr fehleranfällig und kann schnell zur Modellinstabilität führen. Der Modellierung von parametrischen CAD-Modellen stehen vor allem fehlende Methoden und Werkzeuge entgegen. Die CAD-Systeme sind geeignete Werkzeuge zur Modellierung von geometrischen Informationen. Die strukturellen Zusammenhänge sind mit ihnen jedoch unzureichend oder nur mit sehr hohem Aufwand abzubilden. Eine gewisse Hilfestellung bieten Verfahren zur Visualisierung von Modellzusammenhängen [2].

Methodischer Lösungsansatz

Im Rahmen eines von der DFG geförderten Projektes wird gegenwärtig vom Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM) und von der Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik (GFaI) eine Methode zur modellgetriebenen Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen erarbeitet. Im Vordergrund steht dabei die Entwicklung einer neuen grafischen Modellierungssprache für die Domäne der Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen (Graphical Domain-Specific Language - GDSL). Aus den in dieser Sprache beschriebenen Modellen von Tiefziehwerkzeugen können mittels Modelltransformationen parametrische CAD-Modelle generiert und im 3D CAD-System geometrisch vervollständigt werden. Somit wird dem Konstrukteur ein Werkzeug zur Verfügung gestellt, welches es ihm ermöglicht, Tiefziehwerkzeuge nicht rein geometrisch konstruieren zu müssen. Besonders die parametrischen Abhängigkeiten können mit Hilfe der grafischen Sprache leichter und weniger fehleranfällig modelliert werden.

In der Abbildung 2 ist der Entwicklungsansatz der Methode zur modellgetriebenen Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen dargestellt. Sie integriert verschiedene Konzepte aus der Welt der Informatik und der Konstruktionstechnik, um so parametrische CAD-Modelle besser handhabbar zu machen und eine tiefer gehende Analyse sowie Optimierung von Werkzeugmodellen zu ermöglichen.

Eine wesentliche und wichtige Voraussetzung der zu entwickelnden Methodik ist die Analyse der Domäne von Tiefziehwerkzeugen. Daher wurden im ersten Schritt des Projektes die ausgewählten Tiefziehwerkzeuge verschiedener Komplexität in einem parametrischen 3D CAD-System modelliert und deren Bestandteile und Zusammenhänge formal beschrieben. Darauf basierend erfolgt die Modellierung dieser Tiefziehwerkzeuge mit Hilfe von SysML, der von der Object Management Group (OMG) [3] definierten grafischen Modellierungssprache für das allgemeine Systems Engineering. Anhand der gesammelten Erfahrungen werden im nächsten Schritt ein Metamodell und die GDSL für die Modellierung von Tiefziehwerkzeugen entwickelt. Die GDSL soll dabei auf SysML basieren. Die damit beschreibbaren Modelle werden als XCAD-Modell (eXtended CAD-Modell) bezeichnet. Um die Benutzbarkeit und die Akzeptanz der Sprache zu erhöhen, werden in der Methode ebenfalls geeignete Layout- und Interaktionsunterstützungen erarbeitet. Anschließend erfolgt die Entwicklung von Modelltransformationen, die aus einem XCAD-Modell ein CAD-Modell für bestimmte Zielplattformen (z.B. Catia) generieren. Die Methode wird schließlich anhand eines komplexen Tiefziehwerkzeuges verifiziert.

Parameterbasierte Tiefziehwerkzeuge

Für die Entwicklung der Methode zur modellgetriebenen Konstruktion sollen zuerst Bauteile ausgewählt und die dazugehörigen Tiefziehwerkzeuge modelliert werden. Die Auswahl der Tiefziehbauteile wurde zunächst auf einfache Geometrien beschränkt. Aus dem breiten Spektrum der am IFUM herstellbaren Blechbauteile wurden drei Exemplare mit Geometrien unterschiedlicher Komplexität ausgewählt: Rund-, Rechteck- und Trapezgeometrie mit jeweils ebenem Boden. Die vollparametrische Modellierung von Tiefziehwerkzeugen für diese Blechbauteile erfolgte im 3D CAD-System Catia V5.

Um die Domäne der Tiefziehwerkzeuge möglichst vollständig abzudecken, wurden neben den einfachwirkenden Werkzeugsystemen auch zwei- und dreifachwirkende Tiefziehwerkzeuge konstruiert. Die geometrischen 3D CAD-Modelle dieser Tiefziehwerkzeuge sowie die entsprechenden Bauteilgeometrien sind in der Tabelle 1 abgebildet.

Des Weiteren wurden in dieser Phase die ersten Gemeinsamkeiten der CAD-Modelle von Tiefziehwerkzeugen in Form von gleichen CAD-Elementen festgelegt. Die geometrischen und prozessrelevanten Parameter von CAD-Modellen wurden in freie und gebundene Parameter unterteilt und die Zusammenhänge gebundener Parameter detailliert beschrieben. Diese Information in Verbindung mit den abgeleiteten Entwicklungs- und Konstruktionsunterlagen, wie Anforderungslisten, Konstruktionszeichnungen und Stücklisten, schaffen eine Formalisierungsgrundlage der vorhandenen Daten und somit die Entwicklungsgrundlage des Metamodells.

Der nächste Schritt in der Methodenentwicklung ist die beispielhafte Modellierung von Tiefziehwerkzeugen mit Hilfe von SysML, die für diesen Zweck mehrere Diagrammtypen anbietet, mit denen Anforderungen, Struktur und Parametrik von Tiefziehwerkzeugen modelliert werden können. Das Ziel besteht darin, SysML als Basis einer Modellierungssprache speziell für Tiefziehwerkzeuge zu evaluieren.

Domänenspezifische Sprachen sind formale Sprachen, die auf die Probleme eines konkreten Anwendungsgebietes zugeschnitten sind. Sie finden in Form von textuellen aber auch als grafische Sprachen weite Verbreitung.

Grafische Sprachen bestehen wie textuelle Sprachen aus verschiedenen Sprachelementen. Die formale Beschreibung dieser Eigenschaften erfolgt bei textuellen Sprachen durch Grammatiken. Für grafische Sprachen haben sich so genannte Metamodelle durchgesetzt. Im vorgestellten Projekt wird ein solches entwickelt, das die Formalisierung von Struktur und Informationen (Ontologie) der Domäne „Tiefziehwerkzeuge“ darstellt. Das Metamodell als Träger der strukturierten Informationen über ein Tiefziehwerkzeug umfasst dabei zunächst die abstrakte Syntax der zu entwickelnden Modellierungssprache, also die Informationen darüber, was in den Grafiken dargestellt wird.

Die GDSL benötigt aber auch eine Möglichkeit, das Wie, also die konkrete Syntax entsprechender Darstellungen abzubilden. Dafür werden Syntaxdefinitionen der SysML, also die dort verwendeten Diagrammarten, verwendet, spezialisiert beziehungsweise adaptiert und gegebenenfalls neue Diagrammarten entwickelt.

Für die Akzeptanz einer grafischen Sprache durch Entwickler ist das Layout der Elemente dieser Sprache von elementarer Bedeutung. Nur wenn die Darstellungen der Elemente auch lesbar sind, können sie sinnvoll verwendet werden. Für alle Diagrammtypen sollen deshalb Layoutvorschriften definiert und möglichst Layoutverfahren und interaktive Layoutunterstützungen entwickelt werden. Neben der Beschreibung einer GDSL dient ein Metamodell auch als Grundlage von Modelltransformationen. Der Metamodell-basierte Ansatz ermöglicht z. B. Modelltransformationen zu Simulationswerkzeugen oder zwischen verschiedenen CAD-Systemen.

Das Projekt „Methode zur modellgetriebenen Konstruktion von Tiefziehwerkzeugen - ModellKon“ wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. -sg-

Literaturverzeichnis:

  1. B.: Innovationen im Werkzeugbau
  2. M.; Behrens, B.-A.; Wrobel, G.; Scheffler, R.; Pleßow, M.: A New Method of Visualization and Documentation of Parametric Information of 3D CAD Models
  3. Systems Modeling Language (SysML)

Autoren: Prof. Dr.-Ing. B. A. Behrens, S. Koch, IFUM, Leibniz Univ. Hannover, Garbsen, Dr. rer. nat. M. Pleßow, R. Scheffler, G. Wrobel, GFaI, Berlin

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