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CAD-TechnologieNX 8: Innovative Ideen noch schneller umsetzen

Bei der Programmierung von NX 8 hatte Siemens PLM Software vor allem das effiziente Arbeiten im Blick. Zahlreiche neue Funktionen sind zwar auch hinzugekommen, doch im Vordergrund steht stets, Prozessabläufe besser zu unterstützen und dadurch zu beschleunigen. Beispielsweise im Bereich Simulation/Berechnung: Ingenieure können nun leichter Ideen ‚durchspielen‘ und vor allem bewerten. Als integriertes 3D-CAD/CAM/CAE-System bleibt die Anbindung an das CAD dabei stets bestehen, so dass sich innovative Ideen auch schnell in vermarktbare Produkte umsetzen lassen.
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CAD-Technologie: NX 8: Innovative Ideen  noch schneller umsetzen

Michael Corban, CAD-CAM REPORT

Als Douglas T. Ross, damals Leiter der APT-Entwicklung am MIT, 1956 den Begriff CAD erstmals in den Ring warf, verstand er darunter schon das rechnergestützte Entwerfen und Konstruieren – nicht nur das reine Zeichnen. Warum dieser Rückgriff? Weil zum Entwurf weit mehr gehört als nur die geometrische Definition eines Bauteils, einer Maschine oder eines Fahrzeugs. Der Ingenieur will die ihm gestellte Aufgabe lösen, erste überschlägige Berechnungen ausführen und sich gleichzeitig schon Gedanken darüber machen, wie man das ganze wohl fertigen kann. Mit Version 8 seiner integrierten 3D-CAD/CAM/CAE-Lösung NX macht Siemens PLM Software einen weiteren Schritt hin zu einer Software, die den Anwender in diesem Sinne umfassend bei der Entwurfsaufgabe unterstützt. Denn die Programmierer haben mit der Ende letzten Jahres vorgestellten Version nicht nur knapp 400 neue Funktionen realisiert, sondern vor allem dafür gesorgt, dass sich diese auch nutzen lassen. Sichtbar wird das unter anderem an der engen Kopplung von CAD und CAE, der effizienten Bearbeitung der 3D-Modelle – NX 8 ist inzwischen die vierte Version, in der die Synchronous Technology integriert ist (siehe dazu auch CAD-CAM REPORT 10/2010, S. 28) – sowie der visuellen Unterstützung von Prozessabläufen über die so genannte HD-PLM/HD3D-Technologie (für mehr ‚Detailschärfe‘, siehe CAD-CAM REPORT 7-8/2010, S. 12).

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In welcher Weise der Entwurfsprozess optimiert wird, lässt sich am Beispiel des Zusammenspiels der drei genannten Technologiefelder demonstrieren. Nehmen wir an, ein Konstrukteur bekommt die Aufgabe, die Auslegung des Ansaugkrümmers eines Verbrennungsmotors zu optimieren. Dazu hat er bereits einige Ideen, deren Wirkung er möglichst schnell überprüfen will – ohne mehrere Wochen auf die Auswertung der CAE-Spezialisten warten zu müssen. Da solche Berechnungen üblicherweise nicht auf der ‚grünen Wiese‘ beginnen, haben die FEM-Praktiker ihr Know-how bereits in Vorlagen (Templates) gespeichert, deren Erstellung NX über das Product Template Studio (PTS) erleichtert. Entscheidend ist hierbei die Unterstützung von Prozessketten, so dass eben auch Bereiche wie die Mehrkörpersimulation (inklusive Co-Simulation mit Simulink von MathWorks) oder FE-Berechnung davon profitieren, denn über die NX Reuse Library können diese Vorlagen unternehmensweit abgerufen und genutzt werden. Der Konstrukteur muss also ‚nur‘ die aktuelle Krümmergeometrie übertragen und erhält quasi ‚auf Knopfdruck‘ die Ergebnisse der Strömungsberechnung. Das gelingt ihm trotz der etwas komplexeren Gestaltung des Krümmers, weil hier die Geometrieerkennung der Synchronous Technology greift: Es genügt, den in Frage kommenden Bereich mit der Maus zu umfahren, um die Hüllgeometrie – und damit das Strömungsvolumen – zu erkennen und zu übertragen. Das ist die Voraussetzung, um effizient mehrere in Frage kommende Modifikationen zu testen. Das Ergebnis lässt sich anschließend in einem Bericht hinterlegen, der via HD3D-Technologie leicht an die Kollegen kommuniziert werden kann, die mit involviert sind. Diese sehen dann in ihrem Modell einen so genannten ‚tag‘, über den sich alle relevanten Informationen abrufen und Aktionen starten lassen.

Szenarien wie diese bewegen beispielsweise den CIMdata-Marktforscher Dr. Keith Meintjes zu der Aussage, dass insbesondere NX CAE die Spielregeln für die Simulation ändere, zumal das auch eigenständig verfügbare Modul zusätzlich die multidisziplinäre Simulation unterstützt. So lassen sich etwa auch thermische Einflüsse berücksichtigen und vor allem deren Interaktion mit Strukturmechanik und / oder Strömungsberechnung. Hier machen sich nicht zuletzt die Wurzeln von NX bemerkbar, das ja aus der Vereinigung von Unigraphics und I-DEAS hervorging. Letzteres stammte von der Structural Dynamics Research Corporation, besser bekannt als SDRC, die den Begriff CAE prägte. Für den Anwender heißt das: Mit NX 8 kann er insbesondere die simulationsgetriebene Produktentwicklung effizient umsetzen. Oder anders ausgedrückt: Der Reifegrad eines Entwurfs steigt schneller an, was die Folgekosten für eventuell erforderliche Änderungsschleifen senkt und die heute so wichtige Time-to-Market verkürzt.

FEM ist auch bei Zusammenbauten möglich

Siemens PLM Software treibt die Arbeit mit Vorlagen im CAE-Bereich aber noch einen Schritt weiter – hin zur Berechnung ganzer Baugruppen und Zusammenbauten. Das Konzept ist aus dem CAD-Bereich bekannt. Eine Baugruppe besteht aus einzelnen Komponenten, die sich als Subsysteme sehr leicht wiederverwenden lassen.

Im CAD ist allerdings das Zusammenfügen von Komponenten zu Baugruppen und darüber hinaus zu Zusammenbauten relativ simpel, da ‚nur‘ die Geometrien zusammengeführt werden müssen. Will man nun das Verhalten solch eines Zusammenbaus unter Last berechnen, lässt sich das Berechnungsmodell zwar auch aus den einzelnen Modellen für die Komponenten und / oder Baugruppen zusammensetzen, doch die Definition der Randbedingungen wird nun sehr viel komplexer.

Das lässt sich – unter Einbindung der Mess- und Regelungstechnik – leicht am Beispiel eines Schaufelbaggers verstehen: Die einzelnen Glieder des Armes mögen zwar für sich genommen recht einfach zu berechnen sein. Die Belastungen an der Armaufhängung am Fahrzeugkörper hängen aber beispielsweise vom Aufbau des Armes ab – zusammengesetzt aus den sich jeweils elastisch verformenden und schwingenden Komponenten bis hin zur Schaufel. Eine Rolle spielen dabei auch die sich aus der Regelungstechnik ergebenden zeitlichen Zusammenhänge. All das in ein Berechnungsmodell zu stecken, ist naturgemäß deutlich aufwendiger, als eben ‚nur‘ Geometrie zu verbinden. NX 8 soll genau dies vereinfachen: über einen ganzheitlichen Systemansatz, der in einer Umgebung beispielsweise die Bewegungssimulation unter Einschluss der regelungstechnischen Abhängigkeiten und unter Verwendung flexibler Körper erlaubt – und damit die Bauteiloptimierung sehr effizient macht. Der Konstrukteur liefert auf diese Weise wiederum auch für komplexere Systeme – wie den angesprochenen Schaufelbagger oder einen Satelliten – bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt in der Produktentwicklung ein wesentlich ausgereifteres Modell. So lässt sich sicherstellen, dass sich die Solarpanels eines Satelliten im All sicher entfalten, diese aber für den Start so leicht wie nur irgend möglich sind.

Gerade die FE-Simulation von Zusammenbauten kommt einer Forderung der Industrie entgegen: Soll ein Produkt in einem neuen Markt verkauft werden, müssen häufig einzelne Subsysteme entsprechend den jeweiligen Anforderungen ausgetauscht werden. Auch unerfahreneren Konstrukteuren soll dies mit möglichst wenig Aufwand gelingen. Soll beispielsweise der Schaufelbagger eine neue Schaufel bekommen, lässt sich diese leicht modifizieren und dann im Zusammenbau austauschen. Der Vorteil: Die Simulation läuft nun mit der veränderten Schaufel genau so ab wie zuvor – will heißen: Alle Randbedingungen und Lastfälle sind erhalten geblieben, so dass die Umsetzung zügig erfolgen kann. Mit NX 8 steht hier dem Anwender eine Arbeitsumgebung zur Verfügung, mit der sich solche Varianten schnell und mit geringem Aufwand bilden und berechnen lassen.

An dieser Stelle lohnt sich zudem ein weiterer Hinweis auf die HD3D-Technologie. Die Simulationsergebnisse lassen sich wiederum in NX 8 hinterlegen und über den zugeordneten Tag schnell abrufen. Eine ‚Ampel‘ macht dabei visuell auf Hinweise, Warnungen oder eben Fehler (rot!) aufmerksam. Soll etwa der Konstrukteur den Antrieb eines Schiebedachs im Fahrzeug auslegen, ist ein wichtiges Kriterium die maximale Schließkraft, um Verletzungen eines Fahrzeuginsassen, der versehentlich noch einen Arm aus dem Schiebedach streckt, sicher auszuschließen. Analog zum oben geschilderten Vorgehen kann der Ingenieur diese Aufgabe bearbeiten und die Simulation liefert unter anderem den Verlauf der Schließkraft über der Zeit beim Zufahren des Schiebedachs. Diese Auswertung lässt sich beispielsweise als Graph hinterlegen und entsprechend leicht abrufen.

Raus aus dem Silo – Systems Engineering

Gerade das Beispiel des Schiebedachs verdeutlicht zudem einen weiteren Aspekt: die Unterstützung des Systems Engineerings – denn neben der Mechanik spielen hier natürlich Elektrik und Elektronik (über den Elektromotor für den Schiebedachantrieb und die entsprechende Sensorik) als auch Software (einschließlich der zugrundeliegenden Regelungstechnik) eine entscheidende Rolle. Dem Grundgedanken von Siemens PLM Software folgend, dem Anwender die Arbeit in seiner Umgebung so einfach wie möglich zu gestalten, kann hier über entsprechende Vorlagen disziplinübergreifend gearbeitet werden. Automatisch läuft etwa die Berechnung der Schließkraft im Hintergrund ab, ohne dass dazu ein aufwändiger Im- und Export von Daten erforderlich ist. Die so erzeugten Daten stehen anschließend allen beteiligten Mitarbeitern – also auch den Elektro- und Regelungstechnikern – zur Verfügung. Das bietet die Chance, dem heute noch weit verbreiteten Arbeiten in ‚Silos‘ zu entkommen, weil der Austausch über die Grenzen der eigenen Disziplin hinaus erleichtert wird. Bestandteil von NX 8 ist übrigens auch der bereits bekannte Mechatronics Concept Designer, der es dem Anwender – aufbauend auf der PhysX-Technologie von Nvidia, die auch bei modernen Videospielen zum Tragen kommt – wiederum sehr schnell erlaubt, seine Ideen in einen ersten Entwurf zu gießen und diesen zu testen. Das Ziel ist bekannt: Frühzeitig sollen sich Konzeptalternativen vergleichen und bewerten lassen.

Fasst man die Besonderheiten von NX 8 an dieser Stelle zusammen, so rücken immer wieder zwei Aspekte in den Vordergrund:

Die Effizienz bei der Arbeit mit dem System und der

hohe Grad bezüglich der Wiederverwendung durch modulare ‚intelligente‘ Bibliothekselemente – vom ersten Konzept über die Detaillierung bis hin zur Fertigung.

Einen erheblichen Anteil daran, dass dies gelingt, hat die Synchronous Technology. Denn Voraussetzung für das Wiederverwenden von Bauteilen sowie der zahlreichen Vorlagen (etwa für die Simulation) bis hin zur Automation der Datenerstellung ist die Parametrik. Gerade parametrisch aufgebauten Modellen wird aber nachgesagt, dass man ihren Aufbau – ihre Historie – gut kennen muss, um sie zu bearbeiten, was hinsichtlich der Effizienz ein Hemmschuh sein kann. Genau diesen Widerspruch löst die Synchronous Technology aber auf. Denn nun kann der Anwender auf das freie Modellieren zurückgreifen, ohne sich um den Aufbau des Modells Gedanken machen zu müssen. Entscheidend ist dabei: NX mit Synchronous Technology schreibt alle Änderungen mit und verhindert auf diese Weise, dass beim freien Modellieren die Parametrik verloren geht, das Modell also ‚verdummt‘ (für Details hierzu sei nochmals auf den Beitrag in CAD-CAM REPORT 10/2010 verwiesen). Auch mit den Modellen weniger vertraute Konstrukteure können auf diese Weise von Beginn an sehr effizient in einem Projekt mitarbeiten.

Um das zu erläutern, lohnt sich ein weiterer Blick auf das Beispiel des Schiebedachs. Stellen wir uns vor, die beiden Profilträger müssten modifiziert werden. NX mit Synchronous Technology erlaubt es dem Anwender, im Baugruppenzusammenhang das Profil auf einer Seite zu selektieren (durch einfaches Umfahren des in Frage kommenden Bereiches mit der Maus) und durch ‚Ziehen‘ zu verlängern. Gleichzeitig werden die davon betroffenen Parameter entsprechend geändert (alternativ könnte man auch numerisch den Wert für die neue Profillänge eingeben) und aufgrund der Lagebeziehungen (hier der Symmetrie) die andere Seite ebenfalls angepasst. Müsste das Deckblech des Schiebedachs modifiziert werden, unterstützt die Synchronous Technology auch die Freiformmodellierung, in dem der Ingenieur etwa einfach an den Polen des Stützgitters zieht. Parallel zur Fläche an sich würde dabei auch das Bauteil als Solid verändert und beispielsweise das Schalenmodell für die Berechnung angepasst, indem assoziativ die Mittelfläche (entsprechend der neutralen Faser) abgeleitet wird – so dass sich umgehend die zugehörige FE-Simulation anstoßen ließe. Der Zeitgewinn durch solchermaßen optimierte Abläufe kann enorm sein – weniger Klicks führen zu einem besseren Design in kürzerer Zeit.

Die Arbeit in einem größeren Projekt lässt sich übrigens in NX 8 nun auch leichter verteilen. Part Modules nennt sich die neue Technologie, mit der sich ein physikalisches Bauteil virtuell in zwei oder mehrere Teilsysteme zerlegen lässt. Diese kann der Projektverantwortliche zusammen mit den erforderlichen Randbedingungen jeweils einzelnen Konstrukteuren zuweisen. Auf diese Weise können also zwei oder mehr Mitarbeiter das physikalisch selbe Bauteil gleichzeitig in den ihnen jeweils zugewiesenen Bereichen bearbeiten. Der Clou hierbei: Nach Abschluss der Arbeiten lassen sich die Teilsysteme wieder ‚zusammenfügen‘, die virtuelle Teilung also aufheben. Dabei geht die Konstruktionshistorie der einzelnen Bestandteile aber nicht verloren – sie steckt nunmehr komplett in dem ursprünglichen Bauteil und kann wie gewohnt entsprechend leicht bei nachfolgenden Modifikationen genutzt werden.

Über NX 8 ließe sich noch eine Menge mehr berichten, sei es hinsichtlich der realistischeren Darstellung eines Produkts (Advanced True Shading), ohne lange Wartezeiten für das pixelgenaue Rendering in Kauf zu nehmen, bis hin zur Programmierung von Messmaschinen in der Qualitätskontrolle für komplexe, 5-achsig zu bearbeitende Bauteile wie etwa Impeller oder Blisks – Details dazu finden sich auf der angegebenen Website. Zieht man ein Fazit, so lautet dies: Insbesondere über die CAD/CAM/CAE-Integration trägt NX 8 dazu bei, vorhandene Ideen so schnell und effizient wie möglich in vermarktbare Produkte zu überführen – ohne dass dazu zahlreiche Schnittstellen (mit entsprechendem Aufwand) erforderlich sind und Daten hin- und hergeschaufelt werden müssen.

Siemens Industry Software GmbH & Co. KG, Köln Tel. 0221/20802-0, http://www.siemens.de/plm/nx8

Hannover Messe: Halle 7, Stand E12

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