Produktionsmanagement II

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1 Werkzeugmaschinenlabor der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen Produktionsmanagement II Lehrstuhl für Produktionssystematik Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. G. Schuh Lehrstuhl für Produktionsmanagement Prof. Dr.-Ing. A. Kampker Product Lifecycle Management I Vorlesungsverantwortlicher: Dipl.-Ing. Michael Jung Steinbachstr. 53B Raum 528 Tel.: M.Jung@wzl.rwth-aachen.de Product Lifecycle Management I V08 S. 0

2 Inhaltsverzeichnis: Inhaltsverzeichnis Seite 1 Terminübersicht Seite 2 Vorlesungslandschaft Seite 3 Glossar Seite 4 Ziele der Vorlesung Seite 5 Vorlesung Product Lifecycle Management (PLM) Seite 6 Wichtige Informationsflüsse in CAx-Anwendungen Seite 9 Abgrenzung zwischen CAD, PDM und PLM Seite 10 Rechnerinterne Darstellungsformen bei der CAD-Modellierung Seite 13 Ziele des Einsatzes von CAD-Schnittstellen Seite 19 Integration von CAD und FEM Seite 25 Literaturhinweise Seite 30 Product Lifecycle Management I V08 S. 1

3 Terminübersicht: lfd. Nr. Vorlesungsthema Datum Verantwortlich V1 IT im Produktionsmanagement V2 Custom er Relations Management V3 Enterprise Ressource Planning I V4 Enterprise Ressource Planning II V5 Enterprise Ressource Planning III V6 Supply Chain Management I V7 Supply Chain Management II V10 Erfolgreiche Unternehm ensführung - Fallbeispiele (Gastvorlesung durch Prof. Noppen) V8 Product Lifecycle Management I V9 Product Lifecycle Management II V11 Digitale Fabrikplanung und Simulation V12 Business Engineering - Methodik zur Systemauswahl (Trovarit) Hr. Rittstieg Tel Hr. Bartoschek Tel Hr. Fuchs Tel Hr. Reil Tel Hr. Potente Tel Hr. Bauhoff (fir) Tel Hr. Hoeschen Tel Hr. Rauhut Tel Hr. Jung Tel Hr. Rauhut Tel Hr. Koch Tel Hr. Cuber (fir) Tel Product Lifecycle Management I V08 S. 2

4 Vorlesungslandschaft des Lehrstuhls für Produktionssystematik Produktionsmanagement I Einführung in das Produktionsmanagement F&E, Produktplanung und Konstruktion Materialwirtschaft, Arbeitsplanung & -steuerung Unternehmens- & Prozessmodellierung Produktionsstrategien, Komplexitätsmanagement Fertigungs- und montagegerechte Konstruktion Konstruktionsaufgabe in Kleingruppe Konstruktionsbeispiele Konstruktionsrichtlinien Fabrikplanung Standortplanung Production Systems Logistik Produktionsmanagement II V1 IT im Produktionsmanagement V2 Customer Relations Management V3 Enterprise Ressource Planning I V4 Enterprise Ressource Planning II V5 Enterprise Ressource Planning III V6 Supply Chain Management I V7 Supply Chain Management II V8 Product Lifecycle Management I V9 Product Lifecycle Management II V10 Product Lifecycle Management III V11 Digitale Fabrikplanung und Simulation V12 Methodik zur Systemauswahl Kostenmanagement in Produktionsbetrieben Kostenrechnung Investitionsrechnung & -bewertung Bilanzen Technische Investitions- Planung Fertigungsmittelplanung Technologieplanung Kostenrechnung Innovationsmanagement mit Dr. Wiedeking Integrierte Managementaufgabe Produkt- und Produktprogrammplanung Organisation und Mitarbeiterverhalten Seite 3 Product Lifecycle Management I V08 S. 3

5 Glossar: CAD (Computer Aided Design): s. Anmerkungen zu Seite 12 CAM (Computer Aided Manufacturing, rechnerunterstützte Fertigung) bezeichnet den Rechnereinsatz zur Steuerung der Fertigung. Dies kann sich sowohl auf die direkte Steuerung von Werkzeugmaschinen, Bearbeitungszentren oder Montagestraßen als auch auf logistische Probleme wie z.b. Materialflusssteuerung oder Betriebsdatenerfassung beziehen. CAE (Computer Aided Engineering, rechnerunterstütztes Entwickeln) bezeichnet die Summe aller Aktivitäten aus CAD, CAP*, CAM und CAQ**, also den Rechnerreinsatz im gesamten technischen Bereich eines Unternehmens. CAP (Computer Aided Planning, rechnerunterstützte Arbeitsplanung) ist der Rechnereinsatz in der Arbeitsvorbereitung und Fertigungsplanung, z.b. zur Erzeugung von NC-Informationen, Arbeitsplänen oder Stücklisten. CAQ (Computer Aided Quality Assurance) ist die rechnerunterstützte Qualitätssicherung z.b. durch Generierung von Prüfprogrammen und Prüfplänen sowie durch die statistische Auswertung von Kontrollwerten. PDM (Product Data Management, PM II V9) Engineering Data Management (EDM) ist ein weiterer Ausdruck (Synonym) (nach Systemanbietern) für PDM. Product Lifecycle Management I V08 S. 4

6 Ziele der Vorlesung: Die Vorlesung hat das Ziel in die Thematik des Product Lifecycle Management einzuführen und aktuelle IT-Werkzeuge und Hilfsmittel in der Entwicklung Konstruktion vorzustellen. Die Vorlesung vermittelt die wesentlichen rechnerinternen Darstellungsformen bei der CAD-Modellierung. Des weiteren werden im Rahmen der Vorlesung Standardschnittsellen für den Datenaustausch im CAx-Bereich vorgestellt sowie Probleme und Realisierungsmöglichkeiten diskutiert. Product Lifecycle Management I V08 S. 5

7 Product Lifecycle Management (PLM) PLM Markt umfasst die Verwaltung und Steuerung aller Produktdaten - des kompletten Lebenszyklus entlang der erweiterten Logistikkette - von der Konstruktion und Produktion über den Vertrieb bis hin zur Wartung. Das integrierte PLM bietet Zugriff auf alle Produkt- und Prozessdaten des gesamten Lebenszyklus eines Produktes. Die Funktionalität geht weit über das System hinaus. Service & Wartung Demontage & Recycling Vertrieb & Versand Product Lifecycle Management Produktionsvorbereitung Produktplanung Produktentwicklung Prof. Dr. Stucky, aifb, Karlsruhe Fertigung & Montage Seite 6 Der Begriff Product Lifecycle Management wird in der Literatur und von Systemanbietern unterschiedlich verwendet. Prinzipiell sind hierbei drei Stoßrichtungen zu unterscheiden: PLM als Synonym für Produktdatenmanagement: PLM ist keine neue Systemklasse und auch keine neue Art von PDM-System, sondern die konsequente Umsetzung, auf Web-Technologie basierte standort- und firmenübergreifende Anwendung der PDM-Kernkompetenzen Datenmanagement, Prozessmanagement und Systemintegration in allen Bereichen und Phasen der industriellen Wertschöpfung. PLM als ganzheitliche Integrationsplattform der verschiedenen IT-Systeme PLM ist ein engineering-getriebenes PDM-System. PLM unterstützt alle Mitarbeiter während des gesamten Produktlebenszyklus durch Verwaltung aller zugehörigen Daten und Prozesse. PLM als ganzheitliches organisatorisches Managementkonzept zur Datenverwaltung und Informationsbereitstellung: Product Lifecycle Management I V08 S. 6

8 Entstehung des PLM durch Funktionsintegration von CAx und ERP PLM horizontale Integration Zeit Zeit 2D-CAD 1960 MRP 1950 CAD: Computer Aided Design CAM: Computer Aided Manufacturing CAE: Computer Aided Engineering PDM: Product Data Management EDM: Engineering Data Management Schnittmenge Konfiguration Teileverwaltung Stücklistenverwaltung MRP: Material Requirement Planning MRP I: Material Resource Planning I MRP II: Management Resource Planning II ERP: Enterprise Resource Planning Seite 7 CAM (Computer Aided Manufacturing) bezeichnet den Rechnereinsatz zur Steuerung der Fertigung. Dies kann sich sowohl auf die direkte Steuerung von Werkzeugmaschinen, Bearbeitungszentren oder Montagestraßen als auch auf logistische Probleme wie z.b. Materialflusssteuerung oder Betriebsdatenerfassung beziehen. CAE (Computer Aided Engineering) bezeichnet die Summe aller Aktivitäten aus CAD, CAP, CAM und CAQ, also den Rechnerreinsatz im gesamten technischen Bereich eines Unternehmens. CAP (Computer Aided Planning) ist der Rechnereinsatz in der Arbeitsvorbereitung und Fertigungsplanung, z.b. zur Erzeugung von NC-Informationen, Arbeitsplänen oder Stücklisten. CAQ (Computer Aided Quality Assurance) ist die rechnerunterstützte Qualitätssicherung z.b. durch Generierung von Prüfprogrammen und Prüfplänen sowie durch die statistische Auswertung von Kontrollwerten. Product Lifecycle Management I V08 S. 7

9 Das Product Lifecycle Management integriert Prozesse, Technologien und den Menschen Begleitprozesse Marketing Beschaffung Vertrieb Produktentstehung reales Produkt Realer Produktlebenslauf Produktherstellung Produktentwicklung Produktnutzung Produktentsorgung Integrationsplattform Informationsgenerierende Werkzeuge Modellierungswerkzeuge (CAD/CAM/CAP) Berechnungs- und Simulationswerkzeuge (CAE) Visualisierungswerkzeuge (DMU, VR, AR) PLM-System Integrationsplattform Informations- und Kollaborationsmanagement Produktdatenmanagement Supply Chain Mangement Customer Relationship Mangement Seite 8 Produktentstehungsprozess aus Sicht des Produktlebenszyklus Der Produktlebenszyklus setzt sich aus den Hauptphasen der Produktentwicklung (Planung, Entwicklung), der Produktentstehung (Arbeitsvorbereitung, operative Produktion) und des realen Produktlebenslaufes (Nutzung und Entsorgung) Die Hauptprozessphasen werden durch Begleitprozesse ergänzt Begriffsvielfalt im Zusammenhang mit PLM Gründe für die Begriffsvielfalt: Zeitliche Weiterentwicklung der Systeme (z.b. Erweiterung der Funktionen) Unterschiedliche Marketingstrategie der Softwarehersteller Heute noch weit verbreitete Bezeichnungen sind EDM und PDM Abgrenzung PLM PDM : Traditioneller PDM-Ansatz: PDM fungiert als Schnittstelle zwischen technischer und kommerzieller Informationsverarbeitung, d.h. zwischen CAx-Systemen auf der einen Seite sowie Beschaffung und Produktion auf der anderen Seite. Somit waren diese Systeme ausschließlich auf den Entwicklungsbereich beschränkt. PLM-Ansatz: PLM erweitert die PDM-Funktionalitäten und besitzt die Fähigkeit prozessübergreifend Daten und Informationen zur Verfügung zu stellen. Hinzu kommt die Auflösung der Trennung von internen und externen Anwendern entlang der logistischen Kette. PLM unterstützt kooperative Formen der Zusammenarbeit über Unternehmensgrenzen hinweg. Product Lifecycle Management I V08 S. 8

10 Beispiel für einen digitalen Produktentstehungsprozess Styling Konstruktion Absicherung & Freigabe Testen Produktionsplanung Ideengenerierung und Erzeugung von Lösungsvarianten für das Autodesign 3D-Visualisierung z.b. durch VR-Sketching oder Virtual Clay Modelling Vergleich und Auswahl eines Designs 3D-Gestaltung von Einzelteilen wie z.b. einer Kurbelwelle mit CAD-Tools Zusammenfügen der Einzelteile zu Baugruppen Erstellung von Stücklisten CAE-Analyse: Berechnung und Auslegung von Bauteilen, z.b. Überprüfung, ob eine Welle dauerfest ist Kollisionsanalyse von Bauteilen Ein- und Ausbauuntersuchungen Baubarkeitsuntersuchungen Durchführung von Strömungssimulationen an einem DMU (Digital Mock-Up) FEM (Finite Elemente Methode) zur Belastungsanalyse Crash-Tests Ergonomieuntersuchungen Planung und Simulation des Fertigungsprozesses Auswahl der Maschinen Reihenfolge der Fertigungsschritte Parallelisierung von Arbeitsschritten Prozessoptimierung Seite 9 Product Lifecycle Management I V08 S. 9

11 IT-Systemunterstützung für das PLM Markt Entwicklung Arbeitsvorbereitung Produktionsplanung Fertigung Montage Vertrieb Service Wartung Demontage Recycling CRM CAD CRM CAE CAM CAP SCM ERP PDM CAQ CAQ CAQ PLM-Referenzprozess CAD: Computer Aided Design CAP: Computer Aided Planning CAE: Computer Aided Engineering CAQ: Computer Aided Quality CAM: Computer Aided Manufacturing CRM: Custom Relationship Management ERP: Enterprise Ressource Planning PDM: Product Data Management PLM: Product Lifecycle Management SCM: Supply Chain Management Seite 10 Nicht die PLM-IT-Systeme führen zum PLM-Gedanken, sondern umgekehrt: PLM-IT-Systeme verkörpern die Funktionalitäten und Prozesse, die hinter dem PLM-Gedanken stecken. Die Nutzung einer gemeinsamen PLM-Datenbasis für Entwicklung, Auftragsabwicklung und Konfiguration etc. impliziert eine neue Ablaufprozessroutine über den gesamten Produktlebenszyklus. Durch die Realisierung des gleichzeitigen Datenzugriffs aller Produkt- und Prozessbeteiligten unterstützt bzw. operationalisiert PLM den Gedanken des Simultaneous Engineering bzw. des Concurrent Engineering. PLM reduziert Datenredundanzen im Produktlebenszyklus. Product Lifecycle Management I V08 S. 10

12 Wichtige Informationsflüsse in CAx-Anwendungen Zeichnung EDM/PDM CAD CAP NC-Programm Stückliste & Zeichnung Angebotsbearbeitung NC-Programmiersystem Stückliste Arbeitsplan Arbeitsplan & Operationsplan Messdaten Auftrag ERP (PPS) CAM Leitstand Auftrag Angebot Operationen Produktion Stellgrößen Kunde CAQ Fertigmeldung Rückmeldung Werkstattauftrag Prüfoperation CAD: Computer Aided Design CAP: Computer Aided Planning NC: Numerical Control ERP: Enterprise Resource Planning PPS: Production Planning System CAM: Computer Aided Manufacturing CAQ: Computer Aided Quality Assurance Seite 11 Zur Bearbeitung von Aufträgen bzw. zur Herstellung eines Produktes ist ein Informationsaustausch zwischen verschiedenen Bereichen des Unternehmens erforderlich. Dabei handelt es sich u.a. um viele Zeichnungen, Stücklisten, Arbeitspläne etc., also um große Datenmengen und komplexe Informationsinhalte wie z.b. Geometriedaten. Product Lifecycle Management I V08 S. 11

13 Abgrenzung zwischen CAD, PDM und PLM Integrationstiefe Projektplanung und -kalkulation Änderungs- und Konfigurationsmanagement Zusammenarbeit Visualisierung PDM Konfigurationsmanagement Konstruktionsänderungen Projektmanagement Strukturen Collaborative Engineering Variantenkonfiguration Änderungsdienst für Fertigungsaufträge As-built PLM Produktstrukturen Dokumente CAD Dokumentenverwaltung Knowledge- Management Projektierung Legende: PLM=Product Lifecycle Management PDM=Produkt Datenmanagement CAD=Computer Aided Design Basic- Engineering Detail- Engineering Arbeitsvorbereitung Produktion & Montage Instandhaltung & Service Integrationsbreite Seite 12 Der Lebenszyklus eines Produktes von der Produktentstehung in der Entwicklung über die Beschaffung und Produktion bis hin zum Service ist heute durch eine starke innerbetriebliche Zergliederung und eine heterogene Systemlandschaft gekennzeichnet. Das Product Lifecycle Management (PLM), mit dem Integrationsgedanken sowohl in Integrationstiefe als auch in Integrationsbreite, weist darauf hin, dass die Fokussierung auf Bereiche und Einzelsysteme den heutigen Anforderungen nicht mehr genügt, und bietet eine ganzheitliche Betrachtung über den ganzen Lebenszyklus der verschiedenen Prozesse an. Betrachtet man PLM als Managementkonzept, so umfasst PLM die Verwaltung und Steuerung aller Produktdaten entlang des kompletten Lebenszyklus der erweiterten Logistikkette, von der Konstruktion und Produktion über den Vertrieb bis hin zur Wartung. Das integrierte PLM bietet Zugriff auf alle Produkt- und Prozessdaten des gesamten Lebenszyklus eines Produktes. (Prof. Dr. Stucky, Karlsruhe) Somit sind die Zeichnungen und Dokumente, die mit CAD erstellt worden sind, Teil des Produktdatenmanagements, das gleichzeitig PLM-Systeme mit den erforderlichen Daten während des gesamten Lebenszyklus versorgt. Product Lifecycle Management I V08 S. 12

14 Entwicklungsgeschichte des Arbeitsplatzes für Konstrukteure 2D-CAD- System 3D-CAD- System Virtual Reality Möglichkeit zur Weiterverwendung der Daten Zeichenbrett d1 d2 d5 d4 l1 w1 l2 w2 b Elektronisches Zeichenbrett d5 d5 l1 d5 d3 Digitaler Prototyp Interaktion Immersion Intuitive Präsentation bis 50er 60er 80er Jahre 21. Jahrhundert Zeit Reproduzierbarkeit Effizienz Flexibilität Automatisierung 3D-Ansichten Seite 13 Die Abkürzung CAD für rechnerunterstütztes Konstruieren ist vom englischen Computer Aided Design abgeleitet. Der Begriff wurde 1957 bei der Entwicklung eines NC* (Numerical Control) - Systems durch Douglas T. Roos, MIT, in den USA geprägt. CAD ist ein Sammelbegriff für alle Aktivitäten, bei denen die EDV (elektronische Datenverarbeitung) direkt oder indirekt im Rahmen von Konstruktions- und Entwicklungstätigkeiten eingesetzt wird. Dies kann sich sowohl auf die allgemeine technische Berechnung mit oder ohne grafische Ausgabe, auf den Einsatz von technischen Informationssystemen und die zweidimensionale (2D) Zeichnungsdarstellung als auch auf das dreidimensionale (3D) Konstruieren beziehen. *NC (Numerical Control) steht für numerische Steuerung für Werkzeugmaschinen. Die Weg- und Schaltinformationen werden binär codiert und über Speichermedien wie Diskette bzw. CD-ROM oder direkt über Leitung von einem Steuerrechner (DNC: Direct Numerical Control) bzw. einem integrierten frei programmierbaren Rechner in die Werkzeugmaschine (CNC: Computer Numerical Control) eingegeben. VR (Virtual Reality) steht für Virtuelle Realität und ist eine Methode zur Visualisierung und zur Manipulation von Produktmodellen im 3D-Umgebungsraum. Unter VR-Einsatz wird man realitätsnah in den 3D-Umgebungsraum integriert, um Produktmodelle (digitale Prototypen) einschließlich aller während des Produktlebenszyklus geforderten Funktionen realistisch darzustellen. Product Lifecycle Management I V08 S. 13

15 Einsatzbeispiele von Computer Aided Design CAD: Computer Aided Design Angebotsbearbeitung Elektrokonstruktion Betriebsmittelkonstruktion Beispiele von CAD- Anwendungen Maschinenkonstruktion Detaillierung d1 d4 d5 d5 d2 d5 d5 d3 b l1 w1 l2 w2 l1 Seite 14 Product Lifecycle Management I V08 S. 14

16 Rechnerinterne Darstellungsformen bei der CAD-Modellierung 2D-Linienmodell: Punkt, Linie 2 ½ D-Profillinienmodell: Punkt, Linie, Vektor 3D-Drahtmodell: Punkt, Linie Translationsvektor Bohrung nicht beschreibbar - + = 3D-Flächenmodell: Punkt, Linie, Fläche 3D-CSG-Volumenmodell (Constructive Solids Geometry): Volumen 3D-B-Rep-Modell (Boundary Representation): Punkt, Linie, Fläche, Volumen Hybrid-Modell (3D-CSG-Volumenmodell + 3D-B-Rep- Modell) Seite 15 Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale von CAD-Systemen sind die internen Datenstrukturen zur Verarbeitung der Geometrie. Diese werden auch rechnerinterne Darstellung genannt. Im folgenden werden diejenigen rechnerinternen Darstellungen kurz erläutert, die in der Praxis von Bedeutung sind. Product Lifecycle Management I V08 S. 15

17 Eignung rechnerinterner Darstellungen für Anwendungen niedrige Rechenleistungen (geringer Investitionskosten) Skizzen, Entwürfe, Elektrotechnik, Platinenlayout Zeichnungserstellung 2D D 3D Draht 3D Flächen 3D CSG 3D B-Rep 3D Hybrid hohe Rechenleistungen (höhere Investitionskosten) rotationssymmetrische Bauteile profilförmige Bauteile Bauteile mit Regelgeometrien (Hydraulikblock) Bauteile mit Freiformgeometrien (Medizintechnik, Formenbau) Kinematik, Bewegungssimulation FEM-Analyse photorealistische Darstellung direkte NC-Programmierung gut geeignet teilweise geeignet nicht geeignet CSG: Constructive Solid Geometry B-Rep: Boundary Representation FEM: Finite Elemente Methode Seite 16 Product Lifecycle Management I V08 S. 16

18 2D-CAD-Systeme Systemspezifische Vorteile Geringer Lernaufwand Geringes Investitionsvolumen (Hardware, Software) Gute Zeichnungsfunktionen Typische Funktionen Punkt- und Linienfunktionen (z.b. Kreis an zwei Tangenten und einem Punkt) Getriebezeichnung Bemaßungsfunktionen und Schraffuren Linienarten und -stärken, Farben Einsatzbereiche Zeichnungserstellung mit Ansichten und Schnitten Elektrokonstruktion und Platinenlayout Skizzen und Entwürfe Fabrikplanung und Anlagenbau Fabrik-Layout Seite 17 Bei 2D-CAD-Systemen sind die Investitionskosten gering und die Arbeitstechnik ähnelt dem Zeichnen am Zeichenbrett. 2D-CAD-Systeme erfordern jedoch ein gewisses Abstraktionsvermögen hinsichtlich der Umsetzung der 3D Vorstellung auf die 2D Darstellung. Wichtige Forderung in vielen Betrieben ist die Erstellung von normgerechten Zeichnungen. Aus diesem Grunde verfügen die meisten CAD-Systeme über Module, mit denen eine Zeichnungserstellung unterstützt wird. Product Lifecycle Management I V08 S. 17

19 3D-CAD-Systeme auf der Basis des Flächenmodells Systemspezifische Vorteile Relativ geringes Datenvolumen Spezielle Ausrichtung auf Flächenkonstruktion Einfache Anbindung an NC-Programmierung Typische Funktionen Verrundungen, Flächenverschneidungen Auszugs- bzw. Entformungsschrägen Freiformflächen Spezielle Funktionen zur Flächenbeschreibung (z.b. Leitlinienverfahren) Einsatzbereiche Freiformflächenbeschreibung Formenbau Design Formenbau Seite 18 Für die Beschreibung von Freiformgeometrien, die sich nicht durch analytische Formeln beschreiben lassen, wurden spezielle 3D-CAD-Systeme auf der Basis des Flächenmodells entwickelt. Ein typisches Einsatzbeispiel ist die Beschreibung eines Schmiederohlings. Product Lifecycle Management I V08 S. 18

20 3D-CAD-Systeme auf der Basis des CSG-Modells Systemspezifische Vorteile Volumeninformationen verfügbar Schnelle Generierung einfacher Geometrien Entstehungshistorie aufrufbar Typische Funktionen Verschneiden von Volumenkörpern Volumenberechnung Translations- und Rotationsfunktionen Einsatzbereiche Bewegungssimulation Anlagenbau Regelgeometrien Bewegungssimulation Nocken Hebel Ventil Ventilteller Fabrikanlage Seite 19 Zur Generierung von analytisch beschreibbaren Geometrien bieten sich CAD-Systeme auf der Basis des CSG-Modells an (auch: Volumenkörpermodell). Werkstücke werden hierbei mit Volumenkörpern beschrieben, die durch Bool sche Operationen (Addition, Subtraktion und Differenz) miteinander verknüpft werden. Freiformgeometrien können auf diese Weise allerdings nicht erzeugt werden. Die Anbindung an die NC-Programmierung ist aufgrund fehlender Flächeninformationen schwierig. Product Lifecycle Management I V08 S. 19

21 3D-CAD-Systeme auf der Basis des B-Rep-Modells Systemspezifische Vorteile Vollständiges Geometriemodell (Punkte, Linien, Flächen, Volumen) Getriebe Für alle Konstruktionen geeignet Direkt für NC-Bearbeitung nutzbar Typische Funktionen Flächen- und Volumenfunktionen Nahezu alle Vorteile des Flächen- und CSG-Modells Einsatzbereiche Alle Konstruktionen Komplexe Produkte und Geometrien Generator Seite 20 CAD-Modelle auf der Basis des B-Rep-Modells (auch: Flächenbegrenzungsmodell) verwalten alle geometrischen Grundelemente vom Punkt bis zum Volumen in einer konsistenten Datenstruktur. Dadurch sind alle Vorteile der anderen rechnerinternen Darstellungen verfügbar. Allerdings erfordern diese CAD-Systeme (auch Hybrid-Modell) sehr hohe Rechenleistungen und damit deutlich höhere Investitionskosten. Product Lifecycle Management I V08 S. 20

22 Ziele des Einsatzes von CAD-Schnittstellen Digital Mock-Up Rapid Prototyping Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen Ziele des Einsatzes von CAD-Schnittstellen Übernahme von CAD-Daten Vermeidung von Mehrfacheingaben Reduzierung von Durchlaufzeiten Vermeiden von Inkonsistenzen und Redundanzen CAD Finite Elemente Methode Virtual Reality Seite 21 Der kostenintensive Einsatz von CAD-Systemen ist nur dann effektiv und wirtschaftlich, wenn die erzeugten Daten innerhalb der unterschiedlichen Unternehmensbereiche und von Auftraggebern bzw. Lieferanten genutzt werden können. Da in der Regel bei Sender und Empfänger verschiedene CAD-Konfigurationen eingesetzt werden, sind zum Datenaustausch Schnittstellen erforderlich. Im Zusammenhang mit Simultaneous Engineering und Entwicklungskooperationen ist die Bedeutung von leistungsfähigen Daten- und Informationsschnittstellen sehr hoch. Product Lifecycle Management I V08 S. 21

23 Datenaustausch über Standardschnittstellen im CAx-Bereich Definition Schnittstelle Eine Schnittstelle ist ein System von Bedingungen, Regeln und Vereinbarungen, das den Informationsaustausch zweier miteinander kommunizierender Systeme oder Systemkomponenten festlegt. CAD Computer Aided Design IGES, EDIF VDAFS, VDAPS STEP IGES: Initial Graphics Exchange Specification EDIF: Electronic Design Interchange Format VDAFS: Verband der Automobilindustrie Flächenschnittstelle VDAPS: Verband der Automobilindustrie Programmschnittstelle STEP: Standard for the Exchange of Product Data CLDATA: Cutter Location Data IRDATA: Industrial Robot Data SQL: Structured Query Language CAD Computer Aided Design IGES, VDAFS, STEP CAP Computer Aided Planning CLDATA, IRDATA, STEP CAD Computer Aided Manufacturing Quelle: Grabowski, Anderl: Produktdatenaustausch und CAD Normteile, 1990 CLDATA, IRDATA, STEP Betriebsdaten Geometriedaten STEP SQL ERP Enterprise Resource Planning Betriebsdaten CAQ Computer Aided Quality Assurance Applikationsspezifisches Kopplungsprogramm Seite 22 Geometriedaten Für den Datenaustausch zwischen den verschiedenen Bereichen des Unternehmens stehen einige Standardschnittstellen zur Verfügung, deren Umfang allerdings nicht ausreicht, um alle notwendigen Informationen zu übertragen. Aufgrund ungenauer Schnittstellendefinitionen kommt es bei der Verwendung unterschiedlicher Pre- und Postprozessoren zu Informationsverlusten. Ein Beispiel hierfür ist der Austausch von Zeichnungsdaten zwischen zwei unterschiedlichen CAD-Systemen über die Standardschnittstelle IGES. (Verlust von Informationen durch herunterbrechen des 3D-Volumen-Modells auf 3D- Flächen, insbesondere problematisch bei Modellkanten.) Product Lifecycle Management I V08 S. 22

24 Welle Produktionsmanagement II Sommersemester 2009 Entwicklung der Standards zum Produktdatenaustausch Produktdatenmodell Technologiedaten 0,02 zunehmende industrielle Nutzung Berechnungsdaten Organisationsdaten/ Stücklisten Volumenmodell Stückliste STEP AP 214 Flächenmodell Drahtmodell VDAFS IGES Technische Zeichnung STEP: AP: VDAFS: IGES: Standard for the Exchange of Product Data Application Protocol Verband der Automobilindustrie Flächenschnittstelle Initial Graphics Exchange Specification nach ProSTEP AG Seite 23 STEP (STandard for the Exchange of Product Data) ist ein internationaler Standard zur Beschreibung physikalischer und funktionaler Merkmale von Produktdaten. Der Standard (Norm) ist formal bekannt als ISO Industrial automation systems and integration product data representation and exchange. An der Entwicklung waren viele Länder beteiligt, u.a. Deutschland, England, Frankreich, Italien, Japan und USA. Grundlage von STEP ist die Spezifikation eines einheitlichen Informationsmodells für produktdefinierende Daten. Dieses Modell umfasst alle auf das Produkt und dessen Herstellung bezogene Daten, die während der Lebensdauer des Produktes entstehen. STEP ermöglicht die rechnerinterpretierbare Repräsentation und den Austausch von Produktmodelldaten des gesamten Produktlebenszyklus und unterstützt die Integration von Fertigungsketten, die web-basierte Zusammenarbeit, das Management des Produktlebenszyklus und die Wiederverwendung von Entwurfs-, Planungs- und Fertigungsdaten. Zur konsistenten, widerspruchsfreien und eindeutigen Beschreibung des Produktmodells wurde die formale Beschreibungssprache EXPRESS definiert. EXPRESS ist keine Programmier-, sondern eine Spezifikationssprache, die diverse Konzepte vereint. Ein wesentlicher Vorteil von STEP gegenüber IGES liegt in der zusätzlichen Übergabe von Organisationsdaten, Berechnungsdaten, etc., wie z.b. Baugruppenstrukturen. STEP wird ständig weiterentwickelt und ist auch heute noch einer der bedeutendsten Standards. Product Lifecycle Management I V08 S. 23

25 04 Material spezifizieren DGK 05 ggf. Langläuferteile spezifizieren DGK 06 Baustruktur, Verantwortlichkeiten festlegen DGK CDM M1 Internes Design Review durchführen DGK Abstimmungsgespräch 07 Einzelteile festlegen DGK 08 Make-or-Buy Entscheidung treffen DGK, MET 09 ggf. Laufdynamik berechnen LD 10 ggf. statisches/dynamisches Verhalten berechnen STA M2 QFD-Methode anwenden DGK House of Quality M3 Konstruktions-FMEA durchführen DGK FMEA-Formblatt M4 Ergebnisse der Morphologie überprüfen DGK Morphologischer Kasten 11 Einzelteile grob gestalten DGK CATIA Exact Solids, Sheet Metal Designer 12 Anbindung an Drehgestell grob gestalten DGK CATIA Exact Solids, Sheet Metal Designer M5 Informationsweitergabe und rückführung DGK, Datenaustausch oder oder Abstimmung mit Statik, Laufdynamik STA, LD Abstimmungsgespräch M6 Digital Mock Up (DMU) aufbauen DGK 4D-Navigator M7 Internes Design Freeze durchführen DGK, CATIA Exact Solids, STA, LD 4D-Navigator M8 Bauteilbeanspruchung überschlägig prüfen DGK Generative Part Stress * * spe zi fiz i ere n Produktionsmanagement II Sommersemester 2009 Produktdatenaustausch über STEP Design Geometrie Stücklisten Fertigungspläne Produktdaten Kinematische Simulation Prüfpläne, Messdaten Finite Elemente Methode Produktdokumentation NC-Programmierung Produktionsdaten Betriebsmittel & Methodenpläne Einsatz auf Anwendungsgebieten mit STEP Computer Aided Design (CAD) Computer Aided Manufacturing (CAM) Engineering Analysis (z.b. FEM) Prozessplanung Produktdatenverwaltung (PDM) nach ProSTEP AG Seite 24 Product Lifecycle Management I V08 S. 24

26 Digital Mock-Up - Produktionstechnische Integration Digital Mock-Up zur Gebrauchssimulation: Dynamische Ein-/ Ausbauuntersuchung mit Kollisionsüberprüfung Überprüfung des verfügbaren Bau- und Montageraums Einbeziehung des Menschen in die Modellwelt Beispiel: Lampenwechsel Mensch Lampe Seite 25 Neben der Simulation und Bewertung der Produkteigenschaften lassen sich mit Hilfe eines Digital Mock-Up (DMU)* auch Prozessabläufe und Fertigungssysteme überprüfen. Durch Einbeziehung des Menschen in die Modellwelt können auch ergonomische Aspekte analysiert werden. *Digital Mock-Up (DMU) ist die frühzeitige Abstimmung, Simulation, Überprüfung und Bewertung von Entwicklungsergebnissen auf Basis digitaler Prototypen bzw. virtueller Produkte. Product Lifecycle Management I V08 S. 25

27 Potential des Digital Mock-Up Änderungskosten Kosten pro Fehler Zeit Produktqualität DMU Check HW Check 100 % DMU Prozess Konstruktion Bewertungsdefizit PMU Prozess Planung Arbeitsvorbereitung Endprüfung Entwicklung Fertigung Kunde Quelle: Pfeifer Versuch Quelle: von Praun Zeit Legende: DMU: Digital Mock-Up PMU: Physical Mock-Up HW: Hardware Quelle: * Koytek ** US Air Force Mit Hilfe von DMU lassen sich Entwicklungszeiten und -kosten reduzieren! Beispiele: Automobilindustrie bis zu 30% * Luftfahrtindustrie bis zu 40% ** Seite 26 Product Lifecycle Management I V08 S. 26

28 Quantifizierung der Produktivitätssteigerung Entwerfen Berechnen Zeichnen Ändern Stückliste Kontrolle Informieren Nebenzeiten CAD/ CAM fähiger Zeitanteil t f Nicht durch CAD/ CAM beeinflussbar Reduzierungsfaktor R Gesamtzeit t m Zusätzliche Kapazität t z CAD/ CAM fähiger Zeitanteil Reduzierter Zeitanteil Zusätzliche Kapazität Arbeitszeit reduziert durch CAD/ CAM Produktivitätssteigerungsfaktor t f t r = t f / R t z = t f t r t mr = t m t z C p = t m / t mr Seite 27 Product Lifecycle Management I V08 S. 27