e-engineering und digitale Fabrik Ringvorlesung Wintersemester 2001 / 2002

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1 20. November 2001 e-engineering und Digitale Fabrik Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e.h. Dr. h.c. Hans-Jörg Bullinger Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement 04. Dezember 2001 Simulation in der Fertigungstechnik Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Engelbert Westkämper Institut für industrielle Fertigung und Fabrikbetrieb 11. Dezember 2001 Rapid Prototyping im Produktentstehungsprozess Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Klaus Siegert Institut für Umformtechnik 18. Dezember 2001 Virtual Engineering Prof. Dr.-Ing. habil. Joachim Warschat Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement Ort: Hörsaal V9.01, Pfaffenwaldring Stuttgart Vaihingen 15:45-17:15, Teilnahme kostenfrei 08. Januar 2002 Modellierung und Simulation Prof. Dr.-Ing. Roland Rühle Institut für Computeranwendung 15. Januar 2002 e-business und Controlling Prof. Dr. rer. pol. Péter Horváth Betriebswirtschaftliches Institut Lehrstuhl Controlling 22. Januar 2002 Ziel: Nachhaltigkeit / Methode: Life-Cycle-Engineering - von der Analyse über die Entscheidungsunterstützung zum Design-Feature - Prof. Dr.-Ing. Peter Eyerer Institut für Kunststoffprüfung und Kunststoffkunde 29. Januar 2002 Collaboration Neue Technologien ermöglichen mehr Innovationen durch eine Verbesserung der Zusammenarbeit in verteilten Teams Dipl.-Ing. Bernd Engel, CoCreate Software Inc. 05. Februar 2002 Modellierung und Abhängigkeiten in der Produktmodellierung Prof. Hon.-Prof. Dr. Dieter Roller, Institut für Informatik e-engineering und digitale Fabrik Ringvorlesung Wintersemester 2001 / 2002

2 Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e.h. Dr. h.c. Hans-Jörg Bullinger e-engineering und Digitale Fabrik

3 Kondratieff-Zyklen Schlüsselinnovationen initiieren neue Phasen der industriellen Entwicklung Innovation Dampfmaschine, Eisenbahn, Stahl, Textil- und Transport Bekleidungsindustrie E-Technik, Chemie Automobil, Petrochemie Internet, Mobile Kommunik. Microchip Automatisierung Human- Genome Solartechnik Zyklen Vernetzte Welt Frühe Späte Industrialisierung Industrialisierung Dienstleistungsgesellschaft Wissensgesellschaft Health Age Quelle: nach Nefiodow in Capital 1/2 2000

4 Übersicht CAx Entwicklung Reaktionszeit (Änderungen, Zugriff) Papier 2D-CAD 3D-CAD CAx 3D- Simulation DMU EDM PDM Digitale Fabrik 2005

5 Kostenentwicklung am Beispiel Simulation Wirtschaftlichkeit: die Kosten für reale Prototypen steigen Ingenieure sind teurer als Simulationswerkzeuge Mainframes-- CAE Simulation CAE Ingenieur vs. Systemkosten (Quelle: Detroit Big3) Ingenieur $30/h System $2/h Kosten Prototyping CAE Ingenieur --Workstations und Server Jahr

6 Die Herausforderung: Datenvolumenzunahme Notwendigkeiten: konsistentes Datenmanagement Datenvolumen einfacher, transparenter Datenzugang effizientes Datenmanagement der enormen Datenmengen Informationskompetenz der Mitarbeiter Quelle: SGI Z e i t

7 Die Zukunft: Digitale Fabrik

8 Definition Digitale Fabrik Integration von Produkt, Prozess und Ressourcen eines Unernehmens in einem digitalen Modell. Alle relevanten Daten, Informationen der Produktionsplanung werden digital beginnend in der Strategiephase bis zur Anlaufphase in einem Gesamt-Modell mit steigendem Reifegrad bereitgestellt Durchgängige Bereitstellung von (teilw. integrierten) IT-Systemen zur Entwicklung des Digitalen Fabrikmodells Durchgängiger Einsatz von Simulationssystemen zur Erstellung ganzheitlicher, virtueller Prototypen (auf Basis eines Gesamt-Modells) Integration und Vernetzung aller relevanten Schnittstellen (Logistik, Fabrikplanung, etc.) und Disziplinen (z.b. Entwicklung) durch digitale Prozessunterstützung (z.b. Workflow-Unterstützung, Digitales Fabrikmodell) Aufbau von Umgebungen für virtuelle Teams (z.b. CSCW, Shared Application Support, verteilte Prozess und Workflows)

9 IT - Infrastruktur Prozess - Infrastruktur Anwendungszugriff ins CAD-System zur Simulation zur Projektplanung Kooperation Verteiltes Projektmanagement Shared Applications VE-Organisation Integriertes Prozessmanagement System-Integration Systembereitstellung Datenintegration... Datenmanagement Backbone EDM / PDM... Datenerzeugung CAD-File FEM-File CAx Simulation Portal Intra-/ Extranet Engineering Visualisation Cax Simulation Documents Zugriffsprofile Planer Projektleiter Statiker Digital Prototyping Rapid Prototyping Benchmarking Tätigkeiten Statuskontrolle Bearbeiten Änderung Engineering Portal Projektportal Teamportal Reverse Engineering Prozesse Angebote Änderungen Dokumente Zeichnungen Pläne Die fünf Ebenen des virtuellen Engineerings

10 IT - Infrastruktur Prozess - Infrastruktur Anwendungszugriff ins CAD-System zur Simulation zur Projektplanung Kooperation Verteiltes Projektmanagement Shared Applications VE-Organisation Integriertes Prozessmanagement System-Integration Datenintegration Systembereitstellung Datenmanagement Backbone EDM / PDM... Datenerzeugung CAD-File FEM-File CAx Simulation Portal Intra-/ Extranet Engineering Visualisation Cax Simulation Documents Zugriffsprofile Planer Projektleiter Statiker Digital Prototyping Rapid Prototyping Benchmarking Tätigkeiten Statuskontrolle Bearbeiten Änderung Engineering Portal Projektportal Teamportal Reverse Engineering Prozesse Angebote Änderungen Dokumente Zeichnungen Pläne Die fünf Ebenen des virtuellen Engineerings

11 Ebene 1: Datenerzeugung Geometriedatenerzeugung als Grundlage zur durchgängigen Weiterverarbeitung in allen nachfolgenden Arbeitsgängen Anwendung der Featuretechnik zur durchgängigen Wissensintegration und schnellen Weiterverarbeitung Erzeugung von Digital Mock Ups zur Verifizierung. Das DMU als virtuelles Produkt zum Durchschleusen und Simulieren von z.b. Fertigungsabläufen durch eine digitale Fabrik Die Erzeugung und Abspeicherung aller CAx und EDM / PDM Daten findet hier mit den SW-Applikationen statt

12 Ebene 1: Datenerzeugung, Digital Mock UP Untersuchungen für Kollision, Zugänglichkeit und Verbaubarkeit Bauteilanalysen bezüglich Steifigkeit, Festigkeit, Crash-Simulationen, Kinematik, Ergonomie Untersuchungen zur funktionellen Integration wie z.b. Umformsimulation, Werkzeugauslegung, Montagereihenfolge, Fabrik-Layout

14 EDM/PDM Systeme - strategisches Element für das Wissensmanagement Information and Communication Technologies ICT KES Knowledge Engineering Scenario Knowledge competence HRM Human Resource Management Zeichnungsverwaltung Änderungsmanagement Konfigurationsmanagement Unternehmensweites Informationsmanagement Unternehmensweites Dokumentenmanagement Wissensmanagement EDM/PDM backbone Applikationen erzeugen Informationen, EDM/PDM-Systeme speichern, übermitteln und administrieren die Informationen und Wissensmanagement-Funktionalität stellt diese Informationen in eine Kontextsensitive Umgebung Zugriffssteuerung und Workflow-Management Road Map

15 I.-Nr. Datum Einreicher Thema Beschreibung Bewerter Andreas Ebner M2 Karosserie Beleuchtung Ersatz Glühlampen durch LEDs Glühlampen haben im allgemeinen einen sehr Ralf Will schlechten Wirkungsgrad. Die meiste Energie wird als Jochen Beuter Jürgen Heuberger M2 Intern "Haus und Hof" Toiletten-Wasserspülung Wenn die Toilettenspüler bei MCC mit Spartasten BernhardJoseph ausgerüstet werden, kann auch bei MCC Wasser besser genutzt werden Andreas Ebner M2 Antrieb/ Parksperre für E- und H-Variante Funktion: 2 gegensinnig hemmende Rollenlager Uli Leonhardt Aggregate werden auf die Verdichtung der Motorwelle mittels gesichert Andreas Ebner M2 Karosserie Beplankung Hologramme als Gestaltungselement Hologramme sind 3D-Bilder die mit Laser und einem BernhardJoseph unglaubliche Effekte erzielbar. Denkbar wäre auch die Verkleidung ganzer Karosserieteile Andreas Ebner M2 Intern Kommunikation Who is who bei MCC, Renningen Ein "Who is who" für MCC Renningen, in dem für jeden P.Schmid, M. Adam Mitarbeiter ein kurzes Aufgabenportrait aufgeführt wird. Sven Günther Jeder Mitarbeiter sollte eine derartige Liste zur Hand Dieter Wolf haben Jürgen Pfund GK Cockpit Starten / Fernbedienung für Fzge ohne Batterieversorgung Schlüssel mit Hochleistungskondensator um die JürgenPfund Schließen Batterien einzusparen. s. Blatt Uli Schick wilden Phantasiemustern zu versehen, weil es eben Klaus Sußmann ganz nett aussieht, sondern auch die gesamte StefanSteiner Oberfläche als Werbefläche nutzen UliLeonhardt M5 Karosserie Dach Unterbringung herausnehmbares Dach Beim MCC mit V-Motor ist der Bereich unter dem MichaelMicke Fahrzeugboden, der bei den E- und H-Antrieben Batterie und Steuerung beherbergt, ungenutzt. Die StefanKoidl unterbringen. Nicht-Türen für Freizeitfahrzeuge Adolf Marold Jan Rath GK Ausstattung Cupholder mit Klemmfingern Cupholder mit reduzierter Anzahl von Bauteilen, ggf. MichaelFingler Doppelringe gegen kippen notwendig. s. Skizze Andreas Sigloch Jan Rath GK Cockpit Starten / Integration Schlüssel in Uhrenarmband / Uhr Schließen Ralf Will JürgenPfund VolkerThoms UliLeonhardt M5 Intern Kommunikation Verbesserung Erreichbarkeit allgemeine Vorschläge zur Verbesserung der BernhardJoseph Erreichbarkeit UliLeonhardt M5 Service Ladestation E-MCC Jochen Beuter MatthiasAdam QM CI Namen MCC-Name E=mc² Name für MCC BernhardJoseph TeddyWoll GK Karosserie Spiegel MCC ohne herkömmlichen Außenspiegel Der Außenspiegel kann durch eine im Bereich der Heinz-Jürgen Neu Blendunterdrückung, kein toter Winkel mehr, keine Probleme bei superengen Durchfahrten, keine Bagatellschäden TeddyWoll GK CI Kommunikation MCC im Internet, WWW MCC sollte in dieser neuen Technologie Vorreiter sein P.Schmid, M. Adam und möglichst bald im WWW präsent sein. Um die Jochen Schneider ungeheuren Chancen, die sich hier insbesondere in der BernhardJoseph Zukunft bieten, zu nutzen sollten wir schnellstmöglich eine kleine Profigruppe bilden TeddyWoll GK Intern Organisation Designmodelle offene Version siehe Blatt und Anlage BernhardJoseph Notwendigkeit von EDM/PDM-Technologie für das Management unterschiedlicher Datenformate Realisation: Informations-Plattform als Information-Warehouse Ideen-orientiertes Datenmodell Klassifikation Informations-Rückgewinnung CAx Integration Ich hab da eine Einreicher Name: Idee! Ideen1995 Wärme verbraten. Man könnte sie durch Hochleistungsleuchtdioden ersetzen. eines geführten Schiebers "gepreßt". Die Motorwelle ist somit gegen Verdrehung in beide Richtungen speziellen optischen Laboraufbau auf lichtempfindlicher Folie aufgenommen werden. Mit dieser Technik sind RalfWill M2 CI Namen Werbe-Slogan, Name für MCC Spin/Top-Spin BernhardJoseph UliLeonhardt M5 Karosserie Beplankung Overall-Werbung Vorgeschlagen wird nun, MCC-Fahrzeuge nicht nur mit UliLeonhardt M5 Karosserie Türen / Klappen Excel Dachhälften liessen sich in einer flachen Schublade oder einem Fach unter dem Fzg.boden bequem Blinkleuchte angeordnete CCD-Kamera ersetzt werden.vorteile: eingebaute Dimmung/ Ralf Will Markus Christmann Team bzw. Adresse: Datum: Unterschrift: Thema: Beschreibung (Funktion, Vorteile, Skizze als Anhang): Dieses ist eine Idee für die MCC-Ideensammlung. Die Idee wird von mir / im Team bereits bearbeitet. Eine Bewertung durch Dritte ist nicht erforderlich. Wenn zutreffend Die Idee scheint mir patentwürdig. bitte ankreuzen Idee an folgende Speicheradresse: Fileserver MCCDV01 Verzeichnis Ideendatenbank Unterverzeichnis des Modulcatalogs oder an Bernhard Joseph, Innovationsmanagement Micro Compact Car GmbH, Postfach 1337, D Renningen Word CAD-Zeichnungen Skizzen

16 Funktionsumfang heutiger EDM / PDM Installationen Speicherung, Organisation und Bereitstellung von Dokumenten CAx-Modellen Meta-Daten... EDM backbone Anhängig von der Rolle innerhalb der Organisation Zugriffsrechten vordefinierten Workflows Status der Information... Aber: Mangelnde Kontext-Sensitivität.

17 Die Knowledge Infrastructure : Überblick Knowledge Infrastructure Prozess/Produkt EDM/PDM backbone backbone Die Integration des Knowledge Infrastructure Layers in eine EDM/PDM Umgebung erweitert die derzeitige produktzentrierte Sichtweise um eine wissensbzw. kontext-orientierte Betrachtungsweise Diese kontext-orientierte Sichtweise ermöglicht eine neue strategische Positionierung von EDM/PDM-Systemen im Unternehmen

18 Die Knowledge Infrastructure : Netzwerk von verknüpften Informations-Objekten Verknüpfung von Menschen vs. Verknüpfung von Daten verknüpfte CAD-Zeichnung Kunde ABC GmbH Kontext Kontext Problem Report von EDM user A relevante Dokumentation CAD Zeichnung Nr Produkt Nr Verantwortliche Stelle ähnliches Problem Problembereich Information Kontext Beziehungen Menschen Mensch, Aufgabe Problem Report von EDM user B Quelle: EU-Projekt MaKe-IT SME

20 Ebene 3: Systemintegration Voraussetzungen für die Digitale Fabrik Modulare, herstellerunabhängige und standardisierte Softwarepakete müssen installierbar sein. Automatisierte, vom Benutzer nicht wahrnehmbare Schnittstellen für Softwaremodule müssen integriert werden Datenaustausch soll innerhalb der kompatiblen Module bidirektional, schnell und einfach möglich sein (z.b. vom CAD zur VR-Simulation und umgekehrt) Datenaustausch über Unternehmensgrenzen hinweg. Verwendung z.b. von Branchennetzen wie ENX und ANX Eine Intranet-Extranet-Internet Netzwerkumgebung am Arbeitsplatz ist selbstverständlich

22 Ebene 4: Virtual Engineering Prozesse Virtual Teams von vordefinierten zu dynamischen Workflows integriertes Engineering Workflowmanagement internetbasiertes Projektmanagement Prozesse Organisation IT von der meilensteinbasierten zur reifegradbasierten Projektabwicklung (Stage Gate) Arbeitsweisen simulationszentrierte Entwicklungsprozesse Zusammenarbeit Integration von Simulationen im Prozess unter Verwendung von VR-Systemen zur Entwicklungsabsicherung

23 Virtuelle Umgebung im Engineering Komplettes CAD-Data review Fahrsimulator - Deutliche Zeit- und Kostenersparnis gegenüber realen Prototyen - Zuverlässigere Entscheidungen zur Machbarkeit - Evaluierung durch Visualisierung - Visualisierung komplexer Informationsstrukturen - Packaging von Baugruppen - Mitwirkende Einbindung von Entwicklern und Kunden - Zeitspanne bis zum ersten human-in-the-loop -Test um 70% reduziert - Fehlerkosten werden konsequent reduziert

24 Center Virtual Engineering (CVE) Engineering Solution Center Vehicle Interaction Lab Center Virtual Engineering Manufacturing Network Laboratory Knowledge Media Lab Virtual Reality Lab

25 Virtuelle Umgebungen am IAO Fahrzeug Interaction Lab: 2 Fahrsimulatoren Virtual Reality Lab: immersive high-end systems: CAVEEE, HyPI-6 Center Virtual Engineering Personal Immersion: immersive Standard- Hardware-Systeme Applikationen: virtuelle Produkt- Entwicklung Systementwicklung: VR-Software-System Lightning

26 Die Technologie: Personal Immersion (PI) PC-basierte skalierbare VE-Systeme - 1-Wand-Projektion: erweiterter Desktop - 2-Wand-Projektion: workbench Wand-Projektion: Interaktionsräume Wand-Projektion: full immersion - Hardware Kosten sind um bis zu 80% durch Verwendung von Standardware reduziert - Anwendungen: Konzeption, Planung, Evaluierung, Präsentation, Simulation... - Branchen: Automotive, Bau, Architektur, Elektro,...

27 Personal Immersion Low Cost VR skalierbares PC-basiertes interaktives VR Kostenreduktion bei 80% modular skalierbar zur Mehrwand-Projektion Preisgekrönte Software LIGHTNING für CAD- Review, Styling und Design, Sales und Präsentation

28 CAVEs weltweit 5 sechs-seiten-caves: weltweit ca Seiten-CAVEs weltweit

29 Virtual Environments Review high-end systems market SGI high-end graphics systems Spin-off PC-systems Personal Immersion IAO - HMD - Dataglove - CAVEEE - Lightning 1 - Lightning 2 - HyPI-6 - Scalable projection systems - Lightning 3

30 Virtual Environments in Engineering Processes CAD-VR-linking CAD/SIM integration immersive modeling Integration VR service center VR in common use Market Usability UI für Immersive CAD/Model. Standard 3D -UI UI forcad/model. standard 3D-UI Reduction of costs VR on PC new display technologies Past 2001 Future IAO Technology Application PC & hybrid systems personal 3D displays mobile VR 3D interface toolbox multimodal broadband-ui virtual testing functional prototyping & testing immersive modeling integration of ERP/PDM in VR

32 Ebene 5: Anwendungszugriff, Portale, Kooperation Notwendigkeit eines einfachen Portalzugangs auf Grund von: - Globalisierung - Kooperationen, Unternehmensverbünden - globalen Netzwerken... Herausforderungen: - Kooperationen, Unternehmensverbünde - Verbesserung der Kommunikation zwischen Zulieferern und Kunden - Frühe und enge Einbeziehung externer Engineering-Partner - Integration des Wissens der wachsenden Anzahl externer Experten - globale Netzwerke - Komplexitätsbeherrschung globaler Projekte - Virtuelle, integrierte Produktentstehung als Strategie...

33 Visualisierung von Information Definition: Informationsvisualisierung Präsentation and Darstellung von abstrakter Information wie z.b. Computer Programmstrukturen, Datenbankrechercheergebnisse, Organisationscharts etc. Hier gibt es keine definierte vorgegebene Strukturen. Viele Freiräume in der Gestaltung erschweren dem Informationsdesigner die einfache Vermittlung der Fakten für Personen aller Projektbereiche. Information cube. (Courtesy of J. Rekimoto, Sony Computer Science Laboratory, Inc., Japan90) Wissenschaftliche Visualisierung Ist angelehnt an mathematische Strukturen und Modelle und damit für den Informationsdesigner meist konkret darstellbar.

34 Visualisierung von Information Beispiel für eine größere Informationsmenge gemeinsam dargestellt Eine grosse Anzahl von Windows, Graphen, etc. ist notwendig. 2-dimensionale Sicht Visualisierungstool: dimensionale Sicht Visualisierungstool WALRUS:

35 Portal Engineeringdaten: Hauptmenu Menu zur Information mit benutzerspezifischen Zugang Sfb374 Teilprojekt C2: Adaptive Benutzungsoberflächen

36 Portal Engineeringdaten: Innenraum Innenraumdeformation Crash Quelle: John Deere Information Videoinformation Grundmenuzum Seitencrash zu Sichträumen

37 Portal Engineeringdaten: Motor Grundmenu

38 Portal Engineeringdaten: Motor Motorblockinformation Verbrennungsrauminformationen Grundmenu

39 Schlussfolgerungen Produktentwicklung und Absicherung ohne geschlossene Cax Kette und Simulation nicht mehr denkbar. Virtuelle, integrierte Produktentstehung als Strategie Die Entwicklung zur Digitalen Fabrik ist die logische Konsequenz Hohe Nachfragen und universelle Einsatzgebiete verlangen: - standardisierte Lösungen - kostenoptimierte angepasste Lösungen Arbeitsplatz der Zukunft: - Zugriff von jedem Arbeitsplatz auf aktuellste Informationen - Informationsausgabe personalisiert und übersichtlich visualisiert - weltweiter Zugriff über das Internet und Extranet - Immersive Systeme werden in den Unternehmen installiert werden - Desktops werden um Personal Immersion erweitert Soziale Akzeptanz muss erreicht werden Organisationsstrukturen und Prozesse müssen adaptiert werden

40 Ausblicke Neue Märkte werden durch Forschung und Industrie im wechselseitigen Einfluss etabliert. VR - Systeme werden kostengünstig und dadurch durchdringend installiert. Hohe Integration der Cax und CAE Kette in jede Richtung Rückkopplung von VR zu CAD / CAE wird möglich. Die Bestrebungen der Integration aller Daten in der Digitalen Fabrik werden vorangetrieben und dadurch die Strukturen der Produktentwicklung weiterhin dynamisch gehalten.

41 E N D E Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. e.h. Dr. h.c. Hans-Jörg Bullinger e-engineering und Digitale Fabrik E N D E