Kapitel 1 C Ax-Systeme warum und wozu?

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1 Kapitel 1 C Ax-Systeme warum und wozu? Die zusammenfassende Bezeichnung aller Systeme der Rechnerunterstützung in einem Unternehmen lautet CAx-Systeme. Dabei steht CA für Computer-Aided, also rechnerunterstützt 1 und x als Platzhalter für eine Vielzahl von Akronymen, die bestimmte Einsatzbereiche näher spezifizieren (beispielsweise D für Design, also für Konstruktion ). CAx als allein stehender Begriff in der Bedeutung Computer-Aided Everything wird in diesem Buch als der systematische Einsatz und die konsequente Weiterentwicklung rechnerunterstützter Methoden, Vorgehensweisen und Werkzeuge in der Produktentstehung verstanden. 1 Einleitung 2 Grundlagen 5 Modellerstellung und anwendung 3 Aufbau von CAx-Systemen 4 Grundlagen der Modellbildung 9 Wirtschaftlichkeit 6 Arbeitsplanung und -steuerung 8 Einführung, Migration 7 Systemintegration Abb. 1.1 Struktur der Kapitel des Buches Das Buch besteht aus 9 Kapiteln mit dem in Abb. 1.1 dargestellten Aufbau. Im vorliegenden Einleitungskapitel werden ausgehend von den aktuellen Herausforderungen an produzierende Unternehmen die Beweggründe zur Nutzung und (Weiter-) Entwicklung von CAx-Systemen, die aus heutiger Sicht vorrangigen Ziele des CAx-Einsatzes sowie der Einsatz selbst dargestellt. Kapitel 2 zeigt die methodischen und organisatorischen Grundlagen für einen erfolgreichen CAx-Einsatz auf. Hierzu gehören neben einer Darstellung der 1 computer aided bedeutet immer rechnerunterstützt und nicht, wie fälschlich verwendet, rechnergestützt oder rechnergesteuert, denn dann müsste es computer-based oder computer-driven heißen. Rechnerunterstützt unterstreicht die Tatsache, dass der Mensch nach wie vor die Prozesse führt und Rechnersysteme ihm lediglich Hilfestellung für besseres Problemlösen und Entscheiden anbieten (auch wenn das solche Fälle mit einschließt, die nur noch von einem Rechnersystem gelöst werden können, wie beispielsweise Simulations- und Animationsaufgaben). S. Vajna et al., CAx für Ingenieure, DOI / , Springer-Verlag Berlin Heidelberg

2 2 CAx-Systeme warum und wozu? Aktivitäten und Abläufe in Produktentwicklung und Produktionsplanung auch die Beschreibung solcher Vorgehensmodelle, die die erweiterten Möglichkeiten heutiger CAx-Systeme besonders gut nutzen können (anhand des CPM/PDD- Modells), und ein Aufzeigen des Zusammenspiels zwischen Produktentwicklung und CAx-Anwendungen. In Kapitel 3 werden die derzeit aktuellen verschiedenen Hardware- und Softwarekomponenten eines CAx-Systems und seiner Peripherie beschrieben. Ergänzt wird dieses Kapitel um eine Vorstellung gängiger RPT-Verfahren (Rapid Prototyping-Verfahren) und eine Darstellung von verschiedenen Netzwerken in Unternehmen. Kapitel 4 stellt die Vielfalt der von CAx-Systemen verwendeten Modelle vor, die sich auf unterschiedliche Modellierungskonzepte stützen und die zu den wichtigsten Fundamenten von CAx-Systemen gehören. Der Kenntnis der Grundlagen der Modellbildung kommt im Zusammenhang mit CAx-Systemen eine große Bedeutung zu. Die Kapitel 2, 3 und 4 bilden die Grundlagen für die anderen Kapitel dieses Buches, insbesondere für die Ausführungen in Kapitel 5. Im Kapitel 5, dem Kernkapitel dieses Buches, wird nach einem kurzen Überblick über die 2D-Modellierung und ihren heutigen Einsatzbereichen eine bewusst umfassende Darstellung der vielfältigen Möglichkeiten und Strategien zur dreidimensionalen Modellierung von Produkten gegeben. Verbunden sind damit nicht nur der Aufbau und die Handhabung von Produktmodellen, sondern auch eine Darstellung der wesentlichen Verfahren zu Berechnung, Simulation und Optimierung von entstehenden Produkten. Das Kapitel 6 beschreibt die für die Produktentwicklung wichtigsten Dokumente und Verfahren zur Vorbereitung und Planung sowie Durchführung und Steuerung der Produktion bis hin zu den Konzepten von Digitaler Fabrik und Virtueller Realität. In Kapitel 7 werden die verschiedenen strategischen, organisatorischen und informationstechnischen Möglichkeiten zur Integration von Produktentwicklung und Produktion beschrieben. Hierzu gehören auch die Wissensverarbeitung sowie Dokumentation und Archivierung, weil diese beiden Gebiete eine strategische Klammer für erfolgreiche CAx-Anwendungen darstellen. Dieses Kapitel bildet die Grundlage für die Kapitel 8 und 9. Kapitel 8 stellt die technischen, organisatorischen und qualifikatorischen Schritte zur effizienten Einführung und (der heute vorwiegend vorzufindenden) Ablösung eines CAx-Systems durch ein anderes CAx-System ( Migration ) vor. In Kapitel 9 werden Verfahren zum Bestimmen von Nutzen, Kosten und Wirtschaftlichkeit einer CAx-Anwendung beschrieben. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf dem BAPM-Verfahren, mit dem sich Nutzen und Wirtschaftlichkeit mit sehr hoher Präzision bestimmen lassen, so dass dieses Verfahren besonders bei verteilten CAx-Anwendungen ein realistischeres Bild der erzielbaren Nutzen und Wirtschaftlichkeit liefert, als es mit klassischen Verfahren möglich ist.

3 Aktuelle Herausforderungen an Unternehmen Aktuelle Herausforderungen an Unternehmen Die wichtigste Herausforderung an Unternehmen ist die Aufrechterhaltung, wenn möglich Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit auf dem (sich zunehmend globalisierenden) Markt. Dabei sind verschiedene Rahmenbedingungen zu beachten: Relativ hohe Kosten in den hoch entwickelten Industrieländern (z. B. Lohnund Lohnnebenkosten, Rohstoff- und Energiekosten), die in der Vergangenheit sowohl bei der Erzeugung als auch beim Absatz von Gütern und Dienstleistun gen stark dominiert haben. Sich rasch verändernde Märkte (z. B. Stagnation auf den traditionellen Absatzmärkten, rasantes Wachstum neuer Märkte in Schwellenländern ). In vielen Branchen wachsende Konkurrenz durch Aufbau eigener Produktionskapazitäten in den neuen Märkten; dadurch zum Teil hohe Überkapazitäten und starke Veränderungen der gesamten Marktsituation hin zu einem Käufermarkt. Produzierende Unternehmen in den Industrieländern versuchen, ihre Wettbewerbsfähigkeit dadurch zu sichern, dass sie neben der Erfüllung der funktionalen, visuellen und ergonomischen Kundenforderungen (um nur einige zu nennen) Verbesserungen in Bezug auf alle drei Seiten des (eher betriebswirtschaftlich orientierten) magischen Dreiecks aus Qualität, Zeit, und Kosten erzielen. Damit ist gemeint: Die durch hohe Kosten bedingten hohen Preise lassen sich auf dem Markt nur mit Produkten durchsetzen, die eine bessere Qualität haben, d. h. mehr leisten können und zuverlässiger sind als ihre Konkurrenten. Daraus resultiert die Notwendigkeit, einen Innovationsvorsprung zu erzielen und aufrecht zu erhalten. Dennoch dürfen bei der Markteinführung innovativer Produkte (und erst recht bei weniger innovativen Produkten) keine Fehler passieren, denn Qualitätsmängel, die erst der Kunde feststellt, kosten im besten Fall viel Geld (z. B. Rückruf-/ Nachbesserungsaktionen, dadurch Schmälerung möglicher Gewinne oder sogar deren Umkehrung in Verluste), in schlechteren Fällen verursachen sie dauerhafte Image-Schäden und können im Extremfall sogar die Existenz des Unternehmens gefährden. Weil sich hohe Preise nur für relativ kurze Zeit am Markt durchsetzen lassen nur solange das neue Produkt gar keine oder wenig Konkurrenz hat kommt es darauf an, planmäßig und schnell immer wieder weiter entwickelte oder neue Produkte auf den Markt zu bringen, d. h. Innovationszyklen zu verkürzen ( Time to Market ). Weil man sich ohnehin am oberen Ende der Kostenskala befindet, müssen auch bei innovativen Produkten von Anfang an alle Register der Kosteneinsparung gezogen werden, denn sonst verkürzt man sich selbst die Zeitspanne der Profitabilität. Für weniger innovative Produkte oder für Produkte in einem gesättigten Markt ( Käufermarkt ) ist der Kostendruck noch größer: Sie lassen sich überhaupt nur über den Preis absetzen und erfordern entsprechend niedrige Herstellkosten.

4 4 CAx-Systeme warum und wozu? Aus der vorstehend skizzierten Strategie ergeben sich weitere Einflüsse: Das Paradigma der fortwährenden Innovation bringt es mit sich, dass die Produkte und die Prozesse zu ihrer Herstellung zunehmend komplexer werden. Beispiele sind der Übergang zu mechatronischen Produkten (als intelligente Verbindung von Mechanik, Hydraulik/Pneumatik, Elektrik/Elektronik und Informationsverarbeitung), der Übergang zu komplexeren (genaueren, zunehmend integrierten) Produktionsabläufen sowie die Notwendigkeit, völlig neue Technologien zu nutzen oder selbst einzuführen (z. B. Miniaturisierung, neuartige Beschichtungen, Verbindungstechnologien). Ein weiterer Einfluss ist der immer weiter zunehmende Variantenreichtum auch und gerade bei in Großserie hergestellten Produkten ( Mass Customisation ): Kunden erwarten die Befriedigung individueller Bedürfnisse zu Preisen einer Massenfertigung, gleichzeitig driften die Kundenbedürfnisse durch die Globalisierung der Absatzmärkte immer weiter auseinander. Das Management vieler Varianten, die in der Regel über zahlreiche Zwangsbedingungen ( constraints ) miteinander verkoppelt sind (z. B.: Motorvariante A bedingt Elektrikvariante B, schließt gleichzeitig Getriebevariante C aus und schränkt Sonderausstattung D ein ) steigert die Komplexität zusätzlich und erfordert den Einsatz spezieller Systeme zur Verwaltung umfangreicher und komplexer Datenmengen. Beide vorgenannten Einflüsse (komplexere Produkte und Prozesse, mehr Varianten) dienen primär der Steigerung der Produktqualität im Sinne einer optimalen Funktionserfüllung. Sie sind jedoch eher kontraproduktiv in Bezug auf Zeitverkürzung ( Time to Market ) und Kostensenkung, können sogar negative Nebeneffekte auf die Qualität ausüben (z. B. Zuverlässigkeitsprobleme). Dies wird allerdings in Kauf genommen, weil der optimalen Funktionserfüllung das größte Wettbewerbspotential zugeschrieben wird. Um den genannten Anforderungen gerecht werden zu können, insbesondere um den im vorstehenden Absatz genannten Zielkonflikt auflösen zu können, stehen den Unternehmen unterschiedliche Maßnahmen zur Verfügung, von denen einige eher organisatorischer Art, andere eher technischer Art sind. Eher organisatorische Maßnahmen sind: Ein generell näheres Zusammenrücken der vor der Produktion liegenden Unternehmensbereiche 2, um schneller auf sich ändernde Gegebenheiten des Marktes reagieren zu können. Produktentwicklung und Herstellungsplanung rücken enger zusammen, werden zur Zeitersparnis parallelisiert ( Simultaneous Engineering, SE) beziehungsweise große Aufgabenblöcke in der Produktentwicklung werden in kleinere zerlegt, die wiederum parallelisiert ( Concurrent Engineering, CE) und in Teamarbeit durchgeführt werden. 2 Ein typischer Vertreter eines solchen Ansatzes ist die Integrierte Produktentwicklung (siehe Abschn und beispielsweise (Olsson 1985; Andreasen und Hein 1987; Burchardt 2001; Ehrlenspiel 2007 )).

5 Aktuelle Herausforderungen an Unternehmen 5 Neue Aufgabenverteilungen innerhalb des eigenen Unternehmens und zwischen Unternehmen: Beispiele sind Umstrukturierungen von Unternehmen (z. B. Zusammenlegung von Konstruktion und Arbeitsplanung), Verlagerung von Entwicklungs- und Planungsaufgaben auf entsprechend spezialisierte Zulieferer ( Supplier Integration ) und/oder auf externe Dienstleister ( Outsourcing ) bis hin zum Konzept der kollaborativen Entwicklung/Planung in örtlich verteilten Teams, die in verschiedenen Zeitzonen so angeordnet sind, dass der Entwicklungs- und Planungsprozess ohne Unterbrechung rund um die Uhr läuft ( Follow the Sun ). Teile der Produktion, in jüngster Zeit zunehmend aber auch Teile der Produktentwicklung, werden komplett in Länder mit (zum Teil deutlich) niedrigeren Kosten verlagert, wobei hier Fragen nach der dort vorhandenen Arbeitsgüte, der Kompatibilität der erzielten Ergebnisse und nach dem Schutz des eigenen Know-hows von wesentlicher Bedeutung sind. Eher technische Maßnahmen sind: Produktmodularisierung (z. B. Plattform-Strategie, Modulbaukasten ): Diese erleichtert das Variantenmanagement und unterstützt zusätzlich die angesprochenen organisatorischen Maßnahmen zur modifizierten Aufgabenverteilung. Sie kann auch dazu dienen, Innovationen auf einzelne Module zu begrenzen und dadurch deren Risiko zu minimieren. Einführung neuer Abläufe und Methoden in den Produktentwicklungsprozess: Hier sind insbesondere Methoden des fertigungs-, montage-, kostengerechten Konstruierens zu nennen bzw. in Englisch Design for Manufacturing (DfM), Design for Assembly (DfA), Design for Cost (DfC). Da die Vielfalt der zu beachtenden Kriterien beständig wächst (z. B. Instandhaltung, Recycling, ) spricht man, in Analogie zu CAx, zusammenfassend auch oft von DfX (Design for X mit X = Manufacturing, Assembly usw.). Systematischer Einsatz und konsequente Weiterentwicklung rechnerunterstützter Methoden, Vorgehensweisen und Werkzeuge in den Bereichen vor der Freigabe des Produktes 3 zur (Serien-) Fertigung. Dies ist der Themenfokus dieses Buches. Abschnitt 1.2 gibt hierzu einen ersten Überblick. Dabei werden die technischen Maßnahmen durch die organisatorischen stark beeinflusst: Insbesondere müssen die Methoden und Werkzeuge in der Produktentstehung auf die neue Aufgabenverteilung zwischen Abteilungen, Standorten, Unternehmen usw. abgestimmt werden, so dass neue Formen der Kommunikation und Kooperation untereinander verfolgt und unterstützt werden müssen. Solche Formen müssen vor allem die Interaktionen innerhalb von Teams bzw. Gruppen zulassen und die Kooperation zwischen mehreren Problemlösern fördern, indem eine gemeinsame virtuelle Umgebung für Kommunikation und Zusammenarbeit an 3 Es handelt sich dabei um die Bereiche Produktplanung, Vertrieb und Marketing, Formgebung (auch als Technisches Design oder als Styling bezeichnet), (Vor-) Entwicklung, Konstruktion, Berechnung und Simulation, Produktionsvorbereitung mit Fokus auf der technologischen Planung der Produktionsprozesse (mit Betriebsmittelkonstruktion), Prototypenbau und Test. Als zusammenfassender Begriff hierfür werden sowohl Produktentwicklung als auch Produktentstehung verwendet.

6 6 CAx-Systeme warum und wozu? komplexen Produktmodelldaten innerhalb eines Verbundes sowie Visualisierung, Aufbau und Analyse virtueller Produktmodelle ermöglicht werden. 1.2 Ursprünge und Entwicklungen von CAx Die ersten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten auf dem Gebiet CAx reichen mehr als 50 Jahre zurück. Tabelle 1.1 gibt einen historischen Überblick über die wichtigsten Werkzeuge zur Rechnerunterstützung. Tabelle 1.1 Historische Entwicklung CAx (siehe auch (Grabowski et al. 1992, Vajna 1993, Vajna et al. 1994, Arnold 2001)) ab 1940 Theoretische Vorarbeiten zur numerischen Lösung von Differenzialgleichungssystemen, die komplexe physikalische (insbesondere mechanische) Vorgänge beschreiben, die später zur Finite-Elemente-Methode (FEM) führten. Die Bearbeitung mit Hilfe von (z. T noch analogen) Computern wurde bereits vorausgedacht und ausprobiert. ca Erste Arbeiten auf dem Gebiet der numerischen Steuerung von Werkzeugmaschinen am Massachusetts Institute of Technology (MIT), Servomechanism Laboratory. Hintergrund war ein von der US Air Force gefördertes Projekt zur Herstellung geometrisch komplexer Bauteile (Schaufeln für militärische Flugtriebwerke). Maßgeblich beteiligt: Parsons Corporation, Aircraft Division (Zuliefer-Unternehmen) Demonstration der ersten NC-Werkzeugmaschine am MIT (umgebaute 3-Achsen-Fräsmaschine von Cincinnati) mit einem Lochstreifen als Datenträger Erster programmierbarer Roboter von G. Devol 1954/55 Artikelserie von John H. Argyris (Universität Stuttgart) auf dem Gebiet der linearen Strukturanalyse (Argyris 1955) Vorstellung der ersten kommerziellen NC-Werkzeugmaschine (5-Achsen-Fräsmaschine, Giddings & Lewis). ab 1955 Regelmäßige Nutzung der neuen Technik (NC-Fräsen) in den USA, zunächst weiterhin beschränkt auf den militärischen Bereich. Ausdehnung der NC-Technik auf immer mehr Fertigungstechnologien. Entwicklung der ersten NC-Programmiersprache APT (Automatically Programmed Tools), ebenfalls am MIT Artikel über Steifigkeits- und Verformungsberechnungen gepfeilter Flugzeugflügel bei Boeing (Turner et al. 1956), Geburtsurkunde der Finite-Elemente-Methode (FEM). Begriff CAD (Computer-Aided Design) geprägt von Douglas T. Ross, Leiter der APT- Entwicklung am MIT (Ross 1956). In seiner Beschreibung war CAD das Akronym für rechnerunterstütztes Entwerfen und Konstruieren. Die Interpretation als Computer Aided Draughting/Drafting, Rechnerunterstütztes Zeichnen, kam erst in den 1970er Jahren im Zuge von Marketingmaßnahmen einiger Anbieter auf. Erstes Unternehmen zur Herstellung programmierbarer Roboter (Unimation, Kurzform von Universal Automation ), gegründet von G. Devol und J.F. Engelberger Erstes kommerzielles NC-Programmiersystem PRONTO von P.J. Hanratty, der in seinem weiteren Berufsleben die Entwicklung von CAD-Software maßgeblich beeinflusste (u.a. Systeme Computervision, Autotrol, Unigraphics, ANVIL) Vorstellung der ersten deutschen NC-Werkzeugmaschine (Fräs- und Bohrmaschine, Schiess AG mit Steuerung von BBC) Vorstellung des ersten multifunktionalen Bearbeitungszentrums (Kearney & Trecker Corp., Milwaukee-Matic Model II ).

7 Ursprünge und Entwicklungen von CAx 7 Tabelle 1.1 (Fortsetzung) deutsche Werkzeugmaschinenhersteller präsentierten NC-Maschinen für verschiedene Technologien auf der Hannover-Messe (u.a. Berliner Maschinenbau, Burkhardt & Weber, Bohle, Collet & Engelhard, Droop & Rein, F. Werner, Heller, H. Kolb, Hüller, Pittler, Scharmann, Waldrich). Begriff FEM (Finite-Elemente-Methode) geprägt von R.W. Clough (Clough 1960). Memorandum von Douglas T. Ross zum Thema CAD (Ross 1960). Startpunkt des über 10 Jahre lang am MIT laufenden, von der US Air Force geförderten Projektes Computer-Aided Design for Numerically Controlled Manufacturing Processes. Insofern kann die NC-Technik als Geburtshelfer von CAD betrachtet werden Neben NC-Maschinen für spanende Fertigungsverfahren erste NC-Schweißmaschinen, Bestückungsautomaten und Wickelmaschinen (Childs 1982). Erstes universelles FEM-Programm SADSAM (Structural Analysis by Digital Simulation of Analog Methods), entwickelt von R. MacNeal und R. Schwendler. Erstes interaktives CAD-System SKETCHPAD (mit grafischem Bildschirm und Lichtgriffel), entwickelt von I.E. Sutherland am MIT (Sutherland 1963), Abb Abb. 1.2 SKETCHPAD das erste interaktive CAD- System mit seinem Entwickler Ivan Sutherland vor dem Bildschirm (Sutherland 1963) ab 1965 Kommerzielle FEM-Programme für lineare und nichtlineare Analysen: NASTRAN (NASA Structural Analysis Program, MacNeal-Schwendler Corp.), ASKA (Automatic System for Kinematics Analysis, Basis u. a. (Argyris 1950)), ANSYS, MARC. Entwicklung von kommerziellen CAD/CAM-Systemen in den USA, vor allem durch Unternehmen der Flugzeug- und Automobilindustrie, z. B. CADD (McDonnell-Douglas 1966), PDGL (Ford 1967), CADAM (Lockheed 1967). Ein Teil dieser ursprünglich für den Eigenbedarf entwickelten Systeme wird später allgemein vermarktet. Erste Grundlagenarbeiten auf dem Gebiet der 3D-Modellierung: Mathematical Laboratory am MIT (S.A. Coons), Computing Laboratory der University of Cambridge/England (D. Welbourn und A.R. Forrest), Citroën (P. de Casteljau), Renault (P. Bézier) Yamazaki (Japan) startet Entwicklung von NC-Maschinen. ca Erste DNC-Konzepte (je nach Interpretation: Direct/Distributed Numerical Control). Zweck ist die Übertragung von NC-Programmen an die Maschine per Datenleitung (am Anfang Telefonverbindungen) anstelle von Lochstreifen Gründung erster Unternehmen speziell für die Entwicklung und Vermarktung von CAD/ CAM-Systemen, z. B. Applicon, Gerber, Computervision, Calma.

8 8 CAx-Systeme warum und wozu? Tabelle 1.1 (Fortsetzung) ab 1970 Weiterentwicklung der NC-Programmiersprache APT zu EXAPT (Extended APT) in Deutschland (RWTH Aachen, TU Berlin, AEG, Siemens). EXAPT ist bis heute eines der am weitesten verbreiteten NC-Programmiersysteme. Entwicklung von CAD/CAM-Systemen in Deutschland, hier vornehmlich durch Universitäten und Forschungseinrichtungen, z. B. COMPAC und APS (TU Berlin), DICAD (Universität Karlsruhe), DETAIL2 (RWTH Aachen), PROREN (Universität Bochum). Nutzung und (Weiter-) Entwicklung von CAD/CAM-Systemen in Frankreich, wie in den USA vor allem durch Unternehmen der Flugzeug- und Automobilindustrie, z. B. EUCLID (Matra), CATIA (Aviation Marcel Dassault). Auch diese ursprünglich für den Eigenbedarf entwickelten Systeme werden später allgemein vermarktet Erster Volumenmodellierer SynthaVision von MAGI (Mathematics Application Group, Inc.). Das auf einem CSG-ähnlichen Modell basierende System dient allerdings anderen Anwendungen (u.a. Computeranimation), nicht der Konstruktion. Installation des ersten CAD-Arbeitsplatzes in Deutschland bei dem Unternehmen BBC in Mannheim (siehe dazu Abb. 1.3) Abb. 1.3 Typisches CAD-System der frühen 1970er Jahre: Tastatur und Textbildschirm links zur Dokumentation der alphanumerischen Eingaben des Benutzers und Ausgaben des Systems, monochromer Speicherbildschirm rechts für grafische Darstellungen, Tablett mit Digitalisierstift und auswechselbarer Menütafel zur grafischen Eingabe von Kommandos sowie zum Digitalisieren und Identifizieren von Objekten auf dem Speicherbildschirm (CGI Historical Timeline 2008) 1973 Erstes Konzept zum Einsatz rechnerunterstützter Systeme zur Integration von Unternehmensbereichen unter dem Stichwort CIM (Computer-Integrated Manufacturing) geprägt von J. Harrington (Harrington 1973), erst in den 1980er Jahren relevant für die Industrie. ca Erste CNC-Konzepte (Computerised Numerical Control). Durch den Einsatz von Rechnern zur Werkzeugmaschinensteuerung wird eine Programmierung an der Maschine möglich Volumenmodellierer PADL (Part and Assembly Description Language), Basis CSG-Modell (Voelcker et al. 1978), entwickelt von H. Voelcker u.a. (University of Rochester/USA). Volumenmodellierer BUILD, Basis Flächenbegrenzungsmodell (B-Rep), entwickelt von I. Braid (University of Cambridge/England).

9 Ursprünge und Entwicklungen von CAx 9 Tabelle 1.1 (Fortsetzung) ab 1980 Ausgründungen ISYKON (System PROREN) in Deutschland sowie Matra Datavision (System EUCLID-IS) und Dassault Systèmes (System CATIA) in Frankreich. CAx-Einführung in der Industrie auf breiter Front, zunächst überwiegend auf der Basis zweidimensionaler CAD-Systeme. Dreidimensionale Systeme nur für Spezialanwendungen (z. B. Karosserie-, Formen-, Werkzeugbau), zumeist rein flächenorientiert IGES (Initial Graphics Exchange Specification) als erstes genormtes CAx-Schnittstellenformat (US-Norm ANSI Y M), zunächst nur 2D-Geometrie Gründung Firma AutoDesk, Einführung AutoCAD als erstes CAD-System auf PCs, anfangs nur für 2D-Anwendungen Erste kommerzielle Programme FLUENT und FIDAP (Fluid Dynamics Analysis Package) zur Berechnung und Simulation von Strömungsproblemen (CFD, Computational Fluid Dynamics), anfangs konkurrierend, inzwischen fusioniert. ca Aufkommen sogenannter Zeichnungsverwaltungssysteme als CAD-Erweiterungen, Ursprung der EDM/PDM-Technologie (Engineering/Product Data Management) Parametric Technology Corp. (PTC) führt das dreidimensionale, volumenbasierte und parametrisch modellierende CAD-System Pro/Engineer ein. In der Folge entwickeln sich alle CAD-Systeme in diese Richtung und schaffen so die Voraussetzungen für den Übergang in durchgängig dreidimensionale Anwendungen Einführung kommerzieller Modellierkerne für 3D-Geometrie: Parasolid (Shape Data) und ACIS (Three Space Ltd.). Beide Kerne basieren auf dem Flächenbegrenzungsmodell (B-Rep) und sind hervorgegangen aus den Grundlagenarbeiten von A.R. Grayer, C. Lang, I. Braid an der University of Cambridge/England (das Akronym ACIS ergibt sich sogar aus den Anfangsbuchstaben der Vornamen plus S für System ). CAx-Anbieter können Lizenzen zur Nutzung eines solchen Kernes erwerben und ihr System darauf aufbauen, ohne selbst den (sehr großen) Aufwand zur Entwicklung eigener Datenstrukturen und Algorithmen treiben zu müssen. In der Folge entsteht eine große Anzahl an CAD-, CAE- und NC-Systemen auf diesen beiden Kernen oder existierende Systeme werden darauf umgestellt Erste (Vor-) Normen des umfassenden Schnittstellenstandards STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) veröffentlicht (ISO DIS ). ab 1995 Zunehmender Umstieg der produzierenden Unternehmen von der zweidimensionalen auf eine durchgängig dreidimensionale Modellierung. Hintergrund sind die Verfügbarkeit entsprechend leistungsfähiger Systeme, der Druck von Vorreiterbranchen (z. B. der Automobilindustrie) auf ihre Zulieferer sowie die verbesserte Integrationsfähigkeit dreidimensionaler Modelle (z. B. Übergang CAD/CAE). In der Folge verlieren 2D-Systeme an Bedeutung, ihre Preise fallen erheblich. Weil die Bestände an CAx-Daten immer vielfältiger und umfangreicher werden, rückt, analog zu Aktivitäten im Bereich von Produktion (PPS-Systeme), das Management dieser Daten durch EDM/PDM-Systeme immer mehr in den Vordergrund. Deutliche Umstrukturierungen und Konzentrationen auf Seiten der CAx-Anbieter durch Übernahmen und Fusionen. Aus der historischen Übersicht nach Tabelle 1.1 lässt sich ableiten: Die Nutzung des Rechners zur Unterstützung der Produktenstehung hat einen wesentlichen Ursprung im Bereich der Fertigungstechnik (NC, CAP, CAM). Hier ging es anfangs in erster Linie um die Steigerung der (Wiederhol-) Genauigkeiten bei der Herstellung geometrisch komplexer Bauteile, bald kam der Aspekt der Rationalisierung und Automatisierung von Fertigungsabläufen hinzu. Ein zweiter wesentlicher Ursprung liegt bei der Nutzung des Rechners für Berechnungen und Simulationen (CAE, insbesondere Entwicklung FEM). Hier eröffneten CAD-Systeme später die sinnvolle und weniger fehleranfällige Möglichkeit,

10 10 CAx-Systeme warum und wozu? das Aufbereiten der Geometriedaten für eine Berechnung (Preprocessing) und das Nachbereiten der Ergebnisse (Postprocessing) graphisch durchführen zu können (früher erfolgte dies alphanumerisch mit umfangreichen Listen, Tabellen und Zahlenkolonnen). Der Rechnereinsatz im heutigen Kerngebiet Entwicklung und Konstruktion (CAD) kam erst später hinzu. Der Fortschritt auf diesem Gebiet war allerdings Voraussetzung dafür, dass sich die CAx-Technologie ab ca auf breiter Front durchsetzen konnte und dass die technischen Abläufe in produzierenden Unternehmen in Form von durchgängig rechnerunterstützten Prozessketten abgebildet werden konnten (typischerweise Entwicklung/Konstruktion Berechnung/Simulation Produktionsvorbereitung Produktion). Parallel dazu wurden Werkzeuge zur Unterstützung der eher betriebswirtschaftlichen und dispositiven Prozesse geschaffen (z. B. in Einkauf, Kapazitätsplanung, Kalkulation, Produktionsplanung und -steuerung, Buchhaltung) und sukzessive mit denjenigen auf der technischen Seite verknüpft ( CIM, Computer-Integrated Manufacturing ). Grundsätzlich gilt, dass die Evolution von CAx (wie jede rechenintensive Anwendungssoftware) stark von den Innovations- und Technologieschüben der Rechnerhardware abhängig war und ist. So wurden die ersten Vorarbeiten auf dem Gebiet CAE (Berechnung) in den 1940er Jahren bereits auf Analogrechnern 4 durchgeführt. Durchbrüche auf diesem und den anderen Gebieten gelangen aber erst, nachdem in den 1940er Jahren die ersten digitalen Computer vorgestellt und in den 1950er Jahren kommerziell (und vergleichsweise leicht) verfügbar wurden. Zu diesen Entwicklungsschüben gehören beispielsweise 5 die Erfindung des Transistors im Jahr 1947 die Einführung des Transistors in die Computertechnik (erstmals 1953/54 praktisch zeitgleich an der University of Manchester/England und den Bell Telephone Laboratories vorgestellt, flächendeckend eingeführt ab 1957) als Ersatz für die chronisch unzuverlässige und energieintensive Röhren- oder gar Relaistechnik sowie die Erfindung des integrierten Schaltkreises (Integrated Circuit, IC) im Jahr , durch den mehrere Transistoren (heute: VLSI very large scale integrated mit mehreren Millionen Transistoren) in einem Bauteil, dem sogenannten Chip, vereinigt werden, und dessen Einführung in die Computertechnik etwa um Die in Tabelle 1.1 beschriebenen CAx-Entwicklungen folgten diesen und den weiteren Entwicklungsschritten auf dem Gebiet der Computer-Hardware, die 4 In einem Analogrechner wurden mathematische Funktionen durch elektrische Systeme analogen Verhaltens nachgebildet. Zur Programmierung wurden diese Systeme gemäß den Vorgaben auf einem Steckbrett über Kabel verbunden. Eingangsgrößen wurden von Potentiometern (für konstante Werte) und von Funktionsgebern (z. B. Sinusgenerator) bereitgestellt. Der Rechner hatte eine hohe Rechengeschwindigkeit, da alle Operationen parallel bearbeitet wurden. Sein Einsatzfeld war überall dort, wo Eingangs- oder Ausgangsgrößen kontinuierlich vorliegen mussten. Obwohl vom Digitalrechner abgelöst, werden Analogrechner noch sporadisch für spezielle Aufgaben der Prozessregelung eingesetzt. 5 John Bardeen, Walter H. Brattain und William B. Schockley, Bell Telephone Laboratories, die hierfür im Jahr 1956 den Nobelpreis für Physik erhielten. 6 Praktisch zeitgleich und unabhängig voneinander Jack Kilby, Texas Instruments, und Robert Noyce (der spätere Mitgründer von INTEL), Fairchild Semiconductor.

11 Ursprünge und Entwicklungen von CAx 11 von den zentralen Großrechnern (Mainframes, 1960er Jahre) über Mini-Computer ( mini in Relation zu Großrechnern, 1970er Jahre) und Arbeitsplatzrechnern (Workstations, 1980er Jahre) bis zu den bis heute vorherrschenden Personal Computern (PCs, ab 1981) führte. Im Einzelnen sei hierauf nicht eingegangen, eine kurze Übersicht über die Geschichte der Computertechnik sowie über die heute übliche CAx-Hardware gibt Abschn , weitere Informationen zu Inhalten und Entwicklungen von einzelnen CAx-Systemen finden sich in den entsprechenden Kapiteln. PDM-System ERP-System Betriebssysteme Abb. 1.4 Aktuelle CAx-Landschaft. Der senkrechte Strich zwischen Prozessplanung und Fertigungssteuerung bezeichnet den Zeitpunkt der Fertigungsfreigabe Die derzeitige CAx- Landschaft, also die Klassen existierender CAx-Systeme mit ihrer groben Zuordnung zu den Phasen des Produktlebenszyklussses veranschaulicht Abb Dazu erläutert Tabelle 1.2 die verschiedenen, im Gebiet CAx gebräuchlichen Abkürzungen. Tabelle 1.2 CAD CAE Erläuterung von Abkürzungen und Akronymen im CAx-Umfeld Computer-Aided Design, rechnerunterstütztes Konstruieren. Weitere, heute weniger geläufige Bedeutung: Computer-Aided Draughting/Drafting, rechnerunterstütztes Zeichnen Computer-Aided Engineering, hier im Sinne von Berechnen/Simulieren verwendet. Die wichtigsten Systemklassen sind: FEM/FEA: Finite-Elemente-Methode/-Analyse CFD: Computational Fluid Dynamics (rechnerunterstützte Strömungssimulation) Werkzeuge für die dynamische Simulation Hinzu kommt eine Vielzahl spezieller, zumeist auf konventionellen Verfahren basierender Berechnungsprogramme, teilweise für Standardanwendungen (z. B. Nachweisrechnungen für Maschinenelemente), teilweise für branchen- oder sogar firmenspezifische Fragestellungen. Eine weitere Bedeutung ist Computer-Aided Electronics, die die Anwendung der Rechnerunterstützung bei Auslegung und Konstruktion elektronischer Bauteile beschreibt

12 12 CAx-Systeme warum und wozu? Tabelle 1.2 (Fortsetzung) CAID Computer-Aided Industrial Design, Systeme zur rechnerunterstützten Formgebung im Sinne des Technischen Designs bzw. des Stylings CAO Computer-Aided Optimisation, rechnerunterstütztes Optimieren Eine weitere Bedeutung ist Computer-Aided Office zur Beschreibung von rechnerunterstützten Systemen im Büro CAT Computer-Aided Tolerancing, rechnerunterstützte Toleranzvergabe und -analyse Eine weitere Bedeutung ist Computer-Aided Testing DMU Digital Mock-up, Aufbau von digitalen Prototypen im Computer VR Virtual Reality, Basistechnologie für DMU KBE Knowledge-based Engineering, Einsatz von Systemen der Wissensverarbeitung in der Produktentwicklung RP, RT, RPT Rapid Prototyping/Tooling, Erstellung von Prototypen bzw. Prototypwerkzeugen direkt aus dem Computer (meistens mittels generativer Fertigungsverfahren) CAPP Computer-Aided Process Planning, rechnerunterstützte Prozessplanung (für Fertigungs-, Montage-, Prüfprozesse) NC NC-Programmierung (von Fertigungs-, Montage-, Prüfmaschinen) MES Manufacturing Execution System, rechnerunterstützte Durchführung von Fertigungs, Montage- und Prüfprozessen CAM Computer-Aided Manufacturing, rechnerunterstützte Planung und Durchführung von Fertigungs-, Montage- und Prüfprozessen (Zusammenfassung CAPP, NC, MES) CAQ Computer-Aided Quality Assurance, rechnerunterstützte Qualitätssicherung PPS Produktionsplanung und-steuerung BDE Betriebsdatenerfassung ERP Enterprise Resource Planning, Planung aller Betriebsmittel eines Unternehmens PDM Product Data Management, Management der Produktdaten in der Produktentstehung (analog zu ERP in der Produktion) PLM Product Lifecycle Management, konsequente Vorausplanung aller Produkt-Lebensphasen mit Erfassung und Auswertung der dabei anfallenden Daten. PLM ist kein System, sondern ein Konzept zum umfassenden Produkt- und Prozessmanagement über das gesamte Produktleben, das dadurch andere Vorgehensweisen in der Produktentstehung und den Einsatz vieler Systeme erfordert 1.3 Einsatz von CAx Die Verbreitung von CAx-Systemen ist in vielen Branchen weit fortgeschritten. In den Unternehmen, insbesondere in den Branchen Automobil und Flugzeugindustrie, aber auch in der Investitionsgüter- und Konsumgüterindustrie, ist ein breites Wissen über CAx vorhanden, die Anwendung dieser Systeme ist alltäglich geworden und, zumindest im Alltagsgeschäft, keine Sache von Spezialisten mehr damit auch nicht mehr aufregend und auch nicht unbedingt im Fokus des Management (auch daraus ersichtlich, dass es kaum noch richtige CAx-Abteilungen in den Unternehmen gibt). Aber ohne die vielfältigen CAx-Anwendungen könnten viele gängige Produkte (etwa Automobile, Flugzeuge, aber auch Konsumgüter wie MP3-Spieler und Rasier-

13 Einsatz von CAx 13 apparate) mit dem erwünschten Funktionsumfang in der vom Markt vorgegebenen knappen Zeit und in der für den Markterfolg erforderlichen Qualität gar nicht entwickelt und nicht zu akzeptablen Preisen produziert werden (Abb. 1.5 ): Produktentwicklung Modell der Anwendung Methoden, Verfahren, Werkzeuge Wissen Modell der Unterstützung Methoden, Verfahren, Werkzeuge Wissen Rechnerunterstützung Anforderungen aus den Vorgehensweisen der Produktentwicklung Werkzeuge und Arbeitstechniken für Produkt- und Prozessmodellierung Erweiterte Möglichkeiten, z.b.: Berechnung, Simulation, virtuelle Realität Animation, Optimierung erweiterte Vorgehensweisen Abb. 1.5 Erweiterung der Möglichkeiten in der Produktentwicklung durch CAx-Systeme Da die Leistungsfähigkeit der CAx-Systeme in den ersten Jahrzehnten noch nicht sehr hoch war, wurden sie in der Produktentwicklung primär zur rechnerunterstützten Nachbildung der (bewährten) Methoden, Verfahren und Werkzeuge des methodischen Konstruierens und des Technischen Zeichnens verwendet. Die vorhandenen (und ebenfalls bewährten) Modelle der jeweiligen Anwendung wurden dabei unverändert in das entsprechende Modell der Rechnerunterstützung übernommen. Die Ausbildung der Anwender konzentrierte sich dabei auf eine möglichst geschickte Handhabung der Kommandos des CAx-Systems. Der Nutzen der Rechnerunterstützung (im wesentlichen als elektronisches Reißbrett ) resultierte hierbei aus einer (teilweise deutlichen) Verkürzung der Bearbeitungszeit und einem Minimieren von Fehlern bei der Bearbeitung. Heute bieten aktuelle CAx-Systeme eine Vielzahl von neuartigen und erweiterten Methoden, Verfahren und Werkzeugen an, für die es keine Entsprechung mehr im methodischen Konstruieren oder im Technischen Zeichnen gibt (beispielsweise räumliches Modellieren, Parametrik, Featuretechnik und virtuelle Realität). Aus diesen resultieren sehr umfangreiche und leistungsfähige Modelle der Rechnerunterstützung. Dadurch ergeben sich signifikant erweiterte Möglichkeiten zur Produktmodellierung, die damit auch zu neuen Formen methodischer Vorgehensmodelle in der Produktentwicklung führen (siehe dazu auch Kapitel 2). Die Nutzen einer CAx-Anwendung resultieren hierbei primär aus der Tatsache, dass der Anwender durch die ganzheitliche Rechnerunterstützung und durch die Verlagerung von komplexen Routineaufgaben auf das CAx-System mehr Zeit und Möglichkeiten für kreatives Arbeiten zur Verfügung hat. 7 Auswirkungen seiner 7 Es gibt noch Unternehmen, die diese Möglichkeiten nur zur reinen Zeitverkürzung einsetzen und somit die Gelegenheit zur Verbesserung von Leistungsfähigkeit und Qualität ihrer Produkte außer Acht lassen. Dadurch wird aber der weitaus größere Teil des Rationalisierungspotentials von CAx-Systemen nicht genutzt.

14 14 CAx-Systeme warum und wozu? Entscheidungen kann er durch die weitgehende Simulation des Produktlebens frühzeitig erkennen. Zudem können die Nutzen deutlich gesteigert werden, wenn entsprechend in die Ausbildung der Anwender und in die Entwicklung der neuen Anwendungsmodelle und Vorgehensweisen investiert wird. Die frühere Einteilung von CAx-Systemen in große Systeme für globale Unternehmen und kleinere Systeme für mittlere und kleine Unternehmen gilt heute nicht mehr. Bezüglich der Modellierfunktionalität unterscheiden sich die Systeme mittlerweile kaum, nur noch bei der Anzahl der Zusatzmodule und teilweise bei der Integrationsfähigkeit. In vielen Fällen könnten zwei Drittel der anfallenden Arbeit mit einem kleineren System erledig werden. Der Rest könnte dann mit Spezialanwendungen durchgeführt werden. Durch den breiten Einsatz von CAx-Systemen wachsen zudem die verschiedenen Anwendungsgebiete mehr und mehr zusammen: Beispielsweise verläuft die Formgebung (Technisches Design ) zunehmend parallel zur Produktentwicklung. Die Simulationen des späteren Nutzungsverhaltens, der Wartbarkeit und der Recyclingfähigkeit des Produktes stehen im Fokus der heute zunehmenden Diskussion um die Nachhaltigkeit von Produkten. Schließlich werden in der Mechatronik mechanische mit elektrischen, elektronischen und informationstechnischen Effekten und Objekten verbunden, da Vielfalt und Anzahl mechatronischer Produkte stark zunehmen (beispielsweise alle Produkte der Unterhaltungs- und der Kommunikationsindustrie). Immer ist es dabei das Ziel, CAx so zu verwenden, dass die relevanten Entscheidungen während der Entstehung eines Produktes zum frühestmöglichen Zeitpunkt und unter Berücksichtigung möglichst vieler Einflussfaktoren (auch aus anderen Bereichen als der Produktentwicklung) getroffen werden können, nachdem verschiedene Alternativen möglichst realitätsnah simuliert und bewertet wurden, Abb Durch den CAx-Einsatz können in der Produktentstehung wesentlich mehr potenzielle Fehlentwicklungen früher erkannt und mit geringerem Aufwand behoben werden (durchgezogene Linien in Abb. 1.6 ) als ohne den CAx-Einsatz (gestrichelte Linien in Abb. 1.6 ). Abb. 1.6 Fehlererkennung und Fehlerbehebung

15 Einsatz von CAx 15 Eine allgemeine Übersicht über die Anwendung von CAx-Systemen zeigt Abb. 1.7, aus der einerseits erkennbar ist, dass eine zunehmende Komplexität des entstehenden Produkts den immer früheren Einsatz dieser Systeme erforderlich macht. Andererseits ist der Einsatz vielfältiger CAx-Anwendungen noch kein Garant für eine erfolgreiche Produktentwicklung. Wie auch im Kapitel 2 gezeigt wird, kann ohne tragfähige Produktkonzepte und ohne ein solides Fundament geeigneter Vorgehensweisen und anzuwendender Methoden, Verfahren und Werkzeuge kein leistungsfähiges Produkt in der heute vom Markt geforderten Qualität und Lieferzeit entstehen. Abb. 1.7 Anteile und Verwendung von CAx in der Produktentstehung (nach einer Vorlage in (Ottosson 2004)) Es soll an dieser Stelle nicht verschwiegen werden, dass trotz der großen Verbreitung von CAx-Systemen und der beeindruckenden Ergebnisse ihrer vielfältigen Anwendungen noch Probleme vorhanden sind, deren Lösung eigentlich dringlicher ist als die Zunahme der Leistungsfähigkeit der CAx-Anwendungen (wobei die Leistungsfähigkeit derzeit mehr im Detail, ohne spektakuläre Sprünge anwächst): Die Ausbildung der Anwender hält nach wie vor nicht Schritt mit der wachsenden Leistungsfähigkeit der Systeme. Der Gedanke, dass ein komplexes Werkzeug zu seiner wirtschaftlichen Nutzung auch ein entsprechend aufwändiges Training benötigt, ist immer noch nicht ausreichend in den Unternehmen akzeptiert. Die vorhandene Leistungsfähigkeit wird nicht ausreichend genutzt (trotz der hohen Verbreitung werden heute nur durchschnittlich % der angebotenen Leistungsfähigkeit auch verwendet 8 ). Das ist nicht nur bedingt durch die fehlende Ausbildung (so dass zu wenig bekannt ist, was alles möglich wäre), 8 Ein Phänomen, das nicht nur bei fast jeder Software, sondern auch bei der Nutzung von Geräten des Alltags (wie beispielsweise für Kommunikation- und Unterhaltung) zu finden ist.

16 16 CAx-Systeme warum und wozu? sondern auch durch eine mangelhafte Anpassung des Systems an die spezifischen Bedürfnisse des Anwendungsbereichs und durch nicht ausreichende Vorbereitung einer Arbeitssitzung im Sinne des optimalen Einsatzes der vorhandenen CAx-Werkzeuge. CAx-Systeme unterstützen nach wie vor im Wesentlichen die Gestaltungsphase, da sie für eine konsistente Modellierung mit exakten Geometriedaten arbeiten müssen. Für die Unterstützung von konzipierenden und entwerfenden Tätigkeiten gibt es derzeit noch keine leistungsfähigen Lösungen. Die Benutzungsschnittstelle ist nicht immer konsistent und nicht intuitiv, so dass Anwendungsfreundlichkeit und Handhabung der Systeme kompliziert bleiben 9, insbesondere dann, wenn mehrere CAx-Systeme nebeneinander verwendet werden. Die Dokumentation der jeweiligen Funktionalitäten ist zwar mittlerweile interaktiv und auf dem Netz verfügbar, aber nicht immer der Arbeitstechnik des Anwenders angepasst, teilweise noch unübersichtlich und nicht immer dem aktuellen Leistungsstand des Systems entsprechend. Die Häufigkeit der Aktualisierung von CAx-Systemen ist mit ein- bis zweimal pro Jahr zu hoch. Zwar enthält eine neue Version zahlreiche Verbesserungen und Neuerungen, verbunden damit sind aber auch Aktualisierungsarbeiten am Datenbestand und die jedes Mal erforderliche Anpassung an die jeweilige Systemlandschaft im Unternehmen. Hier ist ein flexibleres Vorgehen gefordert, das mehr den Bedürfnissen der Anwender und nicht so sehr den Geschäftsinteressen der Hersteller und Anbieter entspricht. Auch wenn der nun in der Breite erfolgende Einsatz von PDM-Systemen sehr viel zur Verbesserung beigetragen hat, ist doch die Sicherheit von Daten, insbesondere bei verteilten Anwendungen, immer noch als kritisch zu bezeichnen. Auch gestaltet sich das Wiederfinden einmal erzeugter Daten als schwierig, so dass dadurch viele Nutzen der CAx-Anwendung wieder verloren gehen. Positiv ist zu vermerken, dass das Thema Schnittstellen zwischen den verschiedenen CAx-Systemen derzeit als weniger kritisch wahrgenommen wird, da es immer weniger verschiedene Modelliererkerne auf dem Markt gibt. Derzeit nutzen fast 80 % der auf dem Markt befindlichen Systeme lediglich drei Modelliererkerne (Parasolid, ACIS, Pro/Engineer) und deren Derivate. Ein Datenaustausch zwischen drei Modellierern läßt sich einfach und effektiv realisieren 10. Neben diesen allgemeinen Ausführungen sollen mit der Mechatronik und dem Anlagenbau zwei Einsatzgebiete für CAx kurz vorgestellt werden, die aufgrund ihrer Komplexität die Einbeziehung vieler verschiedener CAx-Anwendun- 9 Das könnte daran liegen, dass CAx-Systeme überwiegend von Mathematikern und Informatikern entwickelt werden, denen es nicht immer gelingt, die Vorgehensweisen eines Anwenders in das CAx-System abzubilden. Folglich müssen sich die Anwender zunächst mit der speziellen Vorgehensweise, die ihnen das jeweilige System vorgibt, vertraut machen. Damit ist aber eine intuitive Anwendung, die aus der Problemstellung resultiert, nur eingeschränkt möglich, da sie von den Möglichkeiten des jeweiligen Systems beschränkt wird. 10 Allerdings verlagern besonders große Unternehmen das Schnittstellenproblem an die Zulieferer, die dadurch gezwungen sind, ihre Daten im Format des jeweiligen CAx-Systems des Auftraggebers zu liefern, auch wenn sie selbst dieses System gar nicht verwenden.

17 Einsatz von CAx 17 gen erforderlich machen und in denen die Verbreitung der CAx-Anwendungen noch nicht so sehr ausgeprägt ist wie beispielsweise in der Automobil- und in der Flugzeugindustrie. Es wurde bereits erwähnt, dass die Mehrzahl der Produkte der Kommunikations- und der Unterhaltungsindustrie, aber auch beispielsweise der optischen Industrie mechatronischer Natur ist. Mechatronik bedeutet hierbei die intelligente Verbindung sowie gleichzeitige und gleichwertige Berücksichtigung der Lösungskonzepte aus Mechanik (u. a. mit Antriebstechnik und Maschinendynamik), Hydraulik, Pneumatik, Optik, Messtechnik und Regelungstechnik, Elektrik, Elektronik (Sensorik) und Informationsverarbeitung. Im Vordergrund einer mechatronischen Produktentwicklung steht das Zusammenwirken von konstruktiver Gestaltung, Auslegung und Anordnung des Produkts, ihrer Sensoren, Steuer- und Regelungseinrichtungen zu einer integrierten Lösung vor allem in der Konzeptphase und die Unterstützung dieser Aktivitäten von geeigneten CAx- Systemen. Gerade wegen der Vielfalt der Anwendungsgebiete kommt in der Mechatronik den konsistenten und miteinander kompatiblen Produktmodellen bei der rechnerunterstützten Simulation zur Analyse, Bewertung, Auslegung und Optimierung eine sehr große Bedeutung zu (Zeman et al ). Ausführlicher wird der mechatronische Ansatz in den Kapitel 2 und 4 beschrieben. Ziel des Rechnereinsatzes im Anlagenbau ist die vollständige Abbildung aller Anlagekomponenten, u. a. Gebäude, Anlagenlayout, Anlagen, Rohrleitung, Schaltpläne, Prozesse usw. Deren möglichst vollständige rechnerunterstützte Modellierung dient der Erhöhung der Planungssicherheit bei der Konzeption einer Anlage, da Anlagen sowie Prozessinformationen miteinander gekoppelt verwendet werden müssen. Da es sich in der Regel um Einzelanfertigungen handelt, ist die vorherige Simulation von Aufbau und Betrieb von großer Bedeutung. Dazu gehört die Bestimmung des optimalen Anlagenlayouts, da bei einer komplexen Anlage zahlreiche Möglichkeiten existieren, sie mit all ihren Komponenten in einem vorgegebenen Gebäude zu platzieren und diese Layouts zu bewerten. Dabei erlaubt die Gebäudesimulation die Beurteilung des thermischen Verhaltens des gesamten Gebäudes und kann dadurch zur Auslegung von Klimaoder Abluftanlagen dienen. Spezielle Strömungssimulationen erlauben nicht nur die Simulation der beabsichtigten Prozesse, sondern ermöglichen es auch, die Verbreitung von Partikeln zu berechnen. Dies kann vor allem in sicherheitskritischen Bereichen dazu verwendet werden, um die Ausbreitung gefährlicher Stoffe bei Unfällen zu ermitteln (Pilhar et al ). Der einfache Zugriff auf alle relevanten Daten ist vor allem bei Erweiterung, Modernisierung sowie Wartung und Instandhaltung einer Anlage von großer Bedeutung. Schwer zugängliche oder verteilte Daten treiben hier den Aufwand und damit die Kosten in die Höhe. 85 % der Kosten im Lebenszyklus einer Anlage sind durch den Umgang mit Informationen bedingt, wobei 75 % dieser Kosten technischer Natur sind (Editorial in der Zeitschrift Process 2006). Für die Zukunft von CAx ist zu erwarten, dass die Modellierung einerseits durch das kontextsensitive Bereitstellen von Wissen (das aus dem gesamten Lebenszyklus

18 18 CAx-Systeme warum und wozu? des Produktes stammt und alle dazu benötigten Methoden, Vorgehensweisen und Werkzeuge umfasst), andererseits durch erprobte Lösungselemente und Verfahren unterstützt wird. Es wird möglich werden, laufend die Güte des gerade modellierten Produktes mit den Anforderungen zu vergleichen ( Design Spell Checker ), so dass Fehlentwicklungen so früh wie möglich entdeckt und so kostengünstig wie möglich behoben werden können. Bei einer solchen vielseitigen Unterstützung ist es erforderlich, dass sich die Schnittstellen zum Benutzer nicht mehr überwiegend statisch wie heute, sondern sich immer intuitiver verhalten und sich dabei permanent den individuellen Gegebenheiten anpassen können. Beispielsweise sollten zukünftige CAx-Systeme anhand der Vorgehensweise des Benutzers merken können, ob dieser ein Anfänger, Gelegenheitsnutzer oder ein Meister ist entsprechend würden sich die Schnittstellen anpassen (indem beispielsweise der Benutzer mehr geführt wird), die erforderlichen Softwaremodule kontextsensitiv aktivieren und das dazu benötigte Auslegungs- und Nutzungswissen bereitstellen. Damit wird es auch möglich, dass sich die Systeme in ihrer Handhabbarkeit mehr und mehr der Intuition, den Erwartungen und Bedürfnissen der Benutzer entsprechend verhalten, so dass, trotz gestiegenem Leistungsumfang, sich der Lernaufwand für den Anwender eher verringern wird und die Nutzen von CAx-Anwendungen noch klarer sichtbar und bestimmbar werden. Literatur Andreasen, M. M.; Hein, L.: Integrated Product Development. Springer-Verlag, Berlin New York Tokyo, Argyris, J. H.: Energy Theorems and Structural Analysis (Artikelserie, Teil 1 6). Aircraft Engineering; Bd. 26 (1954) 10, S ; Bd. 26 (1954) 11, S & 394; Bd. 27 (1955) 2, S ; Bd. 27 (1955) 3, S ; Bd. 27 (1955) 4, S ; Bd. 27 (1955) 5, S Die Artikelserie wurde später in überarbeiteter Form als Buch veröffentlicht: Argyris, J. H.: Energy Theorems and Structural Analysis. Butterworths Scientific Publications, London, Arnold, H. M.: The Recent History of the Machine Tool Industry and the Effects of Technological Change. Ludwig-Maximilians-Universität München, Institut für Innovationsforschung, Technologiemanagement und Entrepreneurship, Arbeitspapier, 2001 (siehe auch bwl.uni-muenchen.de/forschung/). Burchardt, C.: Ein erweitertes Konzept für die Integrierte Produktentwicklung. In: Vajna (Hrsg.), Buchreihe Integrierte Produktentwicklung, Magdeburg, CGI Historical Timeline. Seite des Departments of Design der Ohio State University; design.osu. edu/carlson/history/timeline.html (Zugriff ). Childs, J. J.: Principles of Numerical Control (3. Aufl.). Industrial-Press-Verlag, New York, Clough, R. W.: The Finite Element Method in Plane Stress Analysis. Proceedings of the 2nd ASCE (American Society of Civil Engineers) Conference on Electronic Computation, Editorial in der Zeitschrift Process: Die Fabrik im Computer. Process Magazin für Chemie- und Pharmatechnik 02 (2006). Ehrlenspiel, K.: Integrierte Produktentwicklung, Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit. Hanser Verlag, München Wien, Grabowski, H.; Langlotz, G.; Rude, S.: 25 Jahre CAD in Deutschland: Standortbestimmung und notwendige Entwicklungen. In: VDI-Berichte Nr. 993, Datenverarbeitung in der Konstruktion 92. VDI-Verlag, Düsseldorf, 1992.

19 Einsatz von CAx 19 Harrington, J.: Computer Integrated Manufacturing. Robert E. Krieger Publishing Co., Malabar/ FL, ISO DIS 10303, Industrial Automation Systems, Product Data Representation and Exchange. International Organization for Standardization, Genf, Olsson, F.: Integrerad Produktutveckling Arbetsmodel. Series 21 Produktutveckling. Sveriges Mekanförbund, Stockholm, Ottosson, S.: Dynamic Product Development DPD. Technovation 24 (2004), S Pilhar, S.; Zirkel, M.; Vajna, S.; Strohmeier, K.: Optimierung der Apparatekonstruktion durch integrierte Rechnerunterstützung. Chemie Ingenieur Technik (2001) 11, S Ross, D. T.: Gestalt Programming: A New Concept in Automatic Programming. Proceedings of the Western Joint Computer Conference, American Federation of Information Processing Societies (AFIPS), New York, Ross, D.T.: Computer Aided Design A Statement of Objectives. Technical Memorandum, Project 8436, Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge (USA), Sutherland, I. E.: SKETCHPAD: A Man Machine Graphical Communication System. Dissertation, Massachusetts Institute of Technology (MIT), (Als Reprint im Internet verfügbar unter Turner, M. J.; Clough, R. W.; Martin, H. C.; Topp, L. J.: Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures. Journal of Aeronautical Sciences 23 (1956) 9, S Vajna, S.: 30 Jahre CAD/CAM (Teil I/II). CAD CAM-Report 11 (1992) 12 und 12 (1993) 1. Vajna, S.; Weber, C.; Schlingensiepen, J.; Schlottmann, D.: CAD/CAM für Ingenieure. Vieweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, Voelcker, H.; Requicha, A.; Hartquist, E.; Fisher, W.; Metzger, J.; Tilove, R.; Birrell, N.; Hunt, W.; Armstrong, G.; Check, T.; Moote, R.; McSweeney, O.: The PADL-I.O/2 System for Defining and Displaying Solid Objects. Proceedings of the 5th Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques, ACM, S Zeman, K.; Hehenberger, P.; Scheidl., R.: Perfekte Produkte durch Mechatronisierung von Prozessen. Internationales Forum Mechatronik Linz (Österreich), 2006, S

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