Professur für Mediengestaltung Institut für Software- und Multimediatechnik Fakultät Informatik. Diplomarbeit

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1 Professur für Mediengestaltung Institut für Software- und Multimediatechnik Fakultät Informatik Diplomarbeit A U F B E R E I T U N G V O N P R O D U K T M O D E L L E N D E R I N D U S T R I E Z U R V E RW E N D U N G I N I N T E R A K T I V E N 3 D - A N W E N D U N G E N sebastian erler

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3 E I D E S S TAT T L I C H E E R K L Ä R U N G Hiermit versichere ich, die vorliegende Diplomarbeit zum Thema Aufbereitung von Produktmodellen der Industrie zur Verwendung in interaktiven 3D-Anwendungen vollkommen selbstständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt sowie Zitate kenntlich gemacht zu haben. Dresden, Sebastian Erler

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5 D AT E N Z U R D I P L O M A R B E I T T I T E L Aufbereitung von Produktmodellen der Industrie zur Verwendung in interaktiven 3D-Anwendungen E I N G E R E I C H T V O N Sebastian Erler I M S T U D I E N G A N G Medieninformatik E I N G E R E I C H T A M V E R A N T W O RT L I C H E R H O C H S C H U L L E H R E R U N D B E T R E U E R Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Groh Technische Universität Dresden Fakultät Informatik Institut für Software- und Multimediatechnik Professur für Mediengestaltung E X T E R N E R B E T R E U E R Robert Bonča T-Systems - Multimedia Solutions GmbH Business Unit E-Business Solutions v

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7 K U R Z FA S S U N G Herstellende Unternehmen erzeugen im Rahmen der digitalen Produktentwicklung zunehmend umfassendere Beschreibungen ihrer Produkte. Gleichzeitig entstehen im Bereich des Webs und der mobilen Endgeräte neue Anreize, diese Inhalte mithilfe der 3D-Grafik zu präsentieren. Für die Forschung stellt sich die Frage, durch welche Prozesse und Werkzeuge die Produktmodelle für die Nutzung in immersiven Anwendungen optimal aufbereitet werden können. Diese Arbeit stellt nach einer Analyse der in diesem Kontext umzusetzenden Aufgaben ein Konzept zur automatischen Produktmodellaufbereitung vor. Durch die Integration vorhandener Werkzeuge in eine Softwarelösung und die Bereitstellung von Schnittstellen nach außen, können große Mengen von Produktmodellen mit geringem Aufwand für 3D-Anwendungen aufbereitet werden. A B S T R A C T In the field of digital product development, manufacturing companies are creating increasingly comprehensive product models. At the same time a technological progress of 3D-applications for the web and mobile devices can be observed. These advancements lead to a rising number of opportunities to visualize products using 3D technologies. The upcoming question is how to process product models in an optimal way to suit the demands of the mentioned 3d technologies. This work presents a concept to automatically process product data following predefined tasks for this type of problem. The basic idea is to integrate existing tools in a server side software solution and to provide the processed data in a service-oriented manner. The presented work enables the effective processing of large amounts of product models to be used in 3d-applications. vii

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9 I N H A LT S V E R Z E I C H N I S 1 einleitung Motivation Ziele Aufbau der Arbeit grundlagen Produktmodelle Der Produktlebenszyklus Inhalt und Struktur von Produktmodellen STEP Standard für den Produktdatenaustausch Überblick Anwendungsprotokolle Anwendungsprotokoll D-Darstellung im Web und auf mobilen Geräten verwandte arbeiten Datenformate für den Austausch und die Visualisierung von Produkten Serviceorientierte Ansätze im kollaborativen Produktdesign Entwicklungen im Bereich verteilter Visualisierungen Zusammenfassung konzeption Analyse des Problems Interessengruppen Rahmenbedingungen Anforderungen Vor- und Nachbedingungen der Produktmodellaufbereitung Aufgaben der Produktmodellaufbereitung Modellierung des Softwaresystems Subsystem: PLM-System Subsystem: CAD2Web-Server Subsystem: 3D-Client Zusammenfassung implementierung Zielstellung der Implementierung Abstraktion des PLM-Systems CAD2Web-Server D-Client Zusammenfassung ix

10 x inhaltsverzeichnis 6 auswertung Fazit Ausblick a anhang 75 b glossar 81 literaturverzeichnis 87

11 A B B I L D U N G S V E R Z E I C H N I S Abbildung 1 Phasen und Tätigkeiten des Produktlebenszyklus 6 Abbildung 2 Inhalte von Produktmodellen Abbildung 3 Grundlagen des Variantenmanagements im AP 214 (STEP) Abbildung 4 3D-Formate im Engineering-Umfeld Abbildung 5 Die Interessengruppen Abbildung 6 Produktmodellaufbereitung mechatronischer Produkte Abbildung 7 CAD Software: SolidWorks 2010 Premium.. 40 Abbildung 8 Volumenmodelle und Parametrisierung Abbildung 9 Freiformflächen am Beispiel NURBS Abbildung 10 Zusammensetzung von Polygonnetzen Abbildung 11 UML-Anwendungsfalldiagramm Abbildung 12 UML-Aktivitätsdiagramm: Produkt hinzufügen 51 Abbildung 13 UML-Architektur-Montagediagramm Abbildung 14 Komponenten des CAD2Web-Subsystems Abbildung 15 3D-Anwendungen zur Integration in den CAD- 2Web-Server Abbildung 16 Abstraktion des PLM-Systems Abbildung 17 Softwarekomponenten im Prozess der Produktmodellaufbereitung Abbildung 18 Unity 3D-Webclient und Uploadformular TA B E L L E N V E R Z E I C H N I S Tabelle 1 Strukturierung von ISO (STEP) in Serien 13 Tabelle 2 Wichtige Anwendungsprotokolle im mechanischen Design Tabelle 3 Gegenüberstellung der Konzepte des Austauschs und des Teilens von CAD-Daten Tabelle 4 Anforderungen an die 3D-Anwendung und den Prozess der Produktdatenaufbereitung Tabelle 5 Kernaufgaben der Produktmodellaufbereitung 43 Tabelle 6 Übersicht STEP-Bibliotheken (SDK) Tabelle 7 Umgesetzte Aufgaben der Produktmodellaufbereitung Tabelle 8 Durch den X3D Unity Parser unterstützte X3D- Knoten xi

12 Tabelle 9 ISO (STEP) Anwendungsprotokolle.. 77 Tabelle 10 ISO (STEP) Units of Functionality im AP A B K Ü R Z U N G S V E R Z E I C H N I S Ajax AP API CAD CAE CAM CORBA DCC DCOM DIN DOM GUI HPC HTML HTTP ISO JSDAI JSON JT LOD NURBS OpenGL PDM Asynchronous JavaScript and XML Application Protocol Application Programming Interface Computer-Aided Design Computer-Aided Engineering Computer-Aided Manufacturing Common Object Request Broker Architecture Digital Content Creation Distributed Component Object Model Deutsches Institut für Normung Document Object Model Graphical User Interface High Performance Computing Hypertext Markup Language Hypertext Transfer Protocol International Organization for Standardization Java Standard Data Access Interface JavaScript Object Notation Jupiter Tesselation Level of Detail Non-Uniform Rational B-Spline Open Graphics Library Product Data Management xii

13 abkürzungsverzeichnis xiii PLM REST RFC RMI SDK SOA SOAP STEP UML UoF URL VPE VR VRML W3C WebGL WS WSDL WWW XML XSLT X3D Product Lifecycle Management Representational State Transfer Remote Function Call Remote Method Invocation Software Development Kit Service-Oriented Architecture Simple Object Access Protocol STandard for the Exchange of Product model data Unified Modeling Language Unit of Functionality Uniform Resource Locator Virtuelle Produktentstehung Virtual Reality Virtual Reality Modeling Language World Wide Web Consortium Web Graphics Library Webservice Web Services Description Language World Wide Web Extensible Markup Language Extensible Stylesheet Language Transformation Extensible 3D

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15 E I N L E I T U N G motivation Unternehmen, welche mechatronische Produkte herstellen etwa in der Automobilindustrie oder im Maschinen- und Anlagenbau sehen sich aktuell mit einem erheblichen Wandel der Marktbedingungen konfrontiert. Eine wesentliche Ursache für diesen Wandel ist in der Globalisierung zu sehen. Auf der einen Seite führt sie zu einer potentiellen Erweiterung des Absatzmarktes und auf der anderen Seite zu einer Zunahme der Konkurrenz durch globale Mitbewerber am Markt. Beide Entwicklungen stellen neue Anforderungen an produzierende Unternehmen. Die Erschließung neuer Absatzmärkte führt zu heterogener werdenden Zielgruppen mit verschiedenen Ansprüchen an die Produkte. Im Automobilbau zeigt sich zum Beispiel der Trend, durch eine steigende Anzahl von Fahrzeugvarianten mit zunehmender Ausstattungsvielfalt möglichst viele Kundenwünsche bedienen zu wollen. Das Ziel ist eine höhere Marktabdeckung. Auch im Maschinen- und Anlagenbau müssen zunehmend eigentlich standardisierte Produkte an die Anforderungen des Auftraggebers angepasst werden [Kon07, S. 19]. Dies macht es zum Beispiel einem Vertriebsmitarbeiter schwer, für einen Kunden mit speziellen Anforderungen das richtige Produkt unter Tausenden bis Millionen theoretisch möglicher Zusammenstellungen zu wählen. Ebenso hat es der Kunde schwer sich über die möglichen Varianten eines Produktes zu informieren. Abhilfe für dieses Problem versprechen elektronische Produktkonfiguratoren. Sie unterstützen den Vertriebsmitarbeiter oder den Endkunden bei der Zusammenstellung eines Produktes aus vorgegebenen Produktkomponenten unter Beachtung von Konfigurationsregeln. So übernehmen sie beispielsweise die Prüfung, ob bestimmte Konfigurationen von Produkten technisch realisierbar sind, führen Preisberechnungen durch und erzeugen Stücklisten. Dadurch wird die fehlerfreie Erstellung von Angeboten in kürzester Zeit ermöglicht. In diesem Zusammenhang kommt auch der 3D-Visualisierung eine tragende Rolle zu. Sie ermöglicht die sofortige Darstellung des konfigurierten Produktes und stellt damit eine wichtige Form der Kommunikation dar. Die Anwendung von 3D-Technologien im Vertrieb bleibt dabei nicht auf das Zusammenspiel mit Produktkonfiguratoren beschränkt. Generell ist es von großem Nutzen dem Kunden die Entwicklung: komplexer werdende mechatronische Produkte Folge: Bedarf an 3D-Visualisierung und -Konfiguration 1

16 2 einleitung Entwicklung: zunehmend virtuelle Produktentwicklung zunehmend komplexer werdenden mechatronischen Produkte räumlich erfahrbar zu machen. Die zweite wichtige Folge der Globalisierung, neben der angesprochenen Erweiterung der Zielgruppe und der damit einher gehenden Erhöhung der Produktkomplexität, stellt der zunehmende Konkurrenzdruck dar. Durch moderne Logistik und Kommunikationskanäle sind Kunden immer weniger an lokale Hersteller gebunden. Dies äußert sich für Unternehmen beispielsweise in einem zunehmenden Innovationsdruck, steigenden Qualitätsansprüchen und dem Zwang, die Produkteinführungszeit (engl. time to market) verringern zu müssen. All dies ist verbunden mit der Anforderung die Kosten für die Entwicklung und die Produktion zu senken. Um diesen Entwicklungen Rechnung zu tragen, setzten Unternehmen seit Jahren verstärkt auf die virtuelle Produktentstehung (engl. virtual engineering). Darunter wird die durchgehende Rechnerunterstützung bei der Produkt- und Produktionsentwicklung auf Basis digitaler realitätsnaher Modelle verstanden. Um in heutigen globalen Märkten erfolgreich zu sein, müssen Unternehmen, und dies schließt kleine und mittelständische Unternehmen explizit ein, adäquate Kompetenzen im Bereich der virtuellen Produktentstehung aufbauen. [ES09, S.47] Herausforderung: Ergebnisse virtueller Produktentwicklung optimal für 3D-Anwendungen nutzen Die dargestellten Trends, in Form des steigenden Bedarfs an Lösungen zur Produktkonfiguration und -visualisierung einerseits und der zunehmenden Verbreitung der virtuellen Produktentstehung andererseits, werfen die folgende Frage auf: In wieweit lassen sich die Ergebnisse der virtuellen Produktentstehung für Lösungen zur Konfiguration und zur Visualisierung von mechatronischen Produkten nutzen? 1.2 ziele Das Ziel dieser Arbeit liegt in der Erstellung eines Konzepts zur optimierten Nutzung von Produktmodellen im Kontext von interaktiven 3D-Anwendungen. Dabei stellen die Produktmodelle das Ergebnis der virtuellen Produktentstehung in produzierenden Unternehmen dar. Neben der Betrachtung, was die Ergebnisse dieses Prozesses sind und in welcher Form sie vorliegen, stellt sich vor allem die Frage, wie die resultierenden Daten für 3D-Applikationen bereitgestellt werden können. Da die Produktmodelle nicht primär für die Nutzung in interaktiven 3D-Anwendungen zu Vertriebszwecken optimiert wurden, legt dies weiterhin die Notwendigkeit der Aufbereitung dieser Daten nahe. Aus diesem Grunde wird untersucht, welche Schritte der Datenverarbeitung nötig sind, welche existierenden Werkzeuge dazu herangezogen werden können und wie sich diese in eine Gesamtsoftwarearchitektur integrieren lassen.

17 1.3 aufbau der arbeit 3 Besonderes Augenmerk bei der Entwicklung einer solchen Softwarearchitektur soll auf einem möglichst hohen Automatisierungsgrad liegen. Es wird zu untersuchen sein, wie weit auf manuelle Bearbeitung der Datensätze verzichtet werden kann und welche Kompromisse dabei unter Umständen in Kauf genommen werden müssen. Weiterhin besteht die Anforderung, Produktmodelle und Teile von Produktmodellen zur Laufzeit in eine 3D-Anwendung nachladen zu können. Dies stellt eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz im Kontext von 3D-Webanwendungen dar. 1.3 aufbau der arbeit An dieser Stelle soll ein Überblick über den Inhalt der vorliegenden Arbeit gegeben werden, um das methodische Vorgehen beim Erarbeiten der Lösung nachvollziehen zu können. In Kapitel 1 wird auf aktuelle Entwicklungen im Umfeld der herstellenden Industrie hingewiesen, welche die Grundlage für die zu bearbeitende Aufgabenstellung bilden. Aus der beschriebenen Situation und den daraus resultierenden Anforderungen der Unternehmen wird weiterhin die Zielstellung formuliert. Kapitel 2 führt in die Grundlagen der zu verarbeitenden Produktmodelle ein und stellt relevante 3D-Technologien vor. Um die Produktinformationen der Industrie sinnvoll in 3D-Applikationen nutzen zu können, ist es nötig, die Inhalte von Produktmodellen zu kennen und zu verstehen. Dazu werden der Produktlebenszyklus, die Inhalte und die Strukturen von Produktmodellen untersucht. Daraufhin erfolgt die Vorstellung von STEP als wichtigen Standard zur Repräsentation von Produktdaten. Nachdem damit das Fundament für das Verständnis der Produktdaten auf Seiten der herstellenden Industrie geschaffen ist, werden mögliche Technologien zur Darstellung dieser Informationen beschrieben. Dies sind im Besonderen neuere Technologien zur Implementierung von 3D-Anwendungen für das Web und für mobile Geräte. Kapitel 3 dient der Diskussion relevanter Arbeiten auf dem Gebiet der verteilten Visualisierung. Der Schwerpunkt liegt im Besonderen auf aktuellen Entwicklungen im Bereich der kollaborativen Produktentwicklung. Dazu werden 3D-Formate im Engineering-Umfeld sowie Konzepte und Softwaresysteme zur Verteilung, Verarbeitung und Visualisierung von Produktdaten betrachtet. Darüber hinaus erfolgt eine Betrachtung allgemeiner Trends im Feld der verteilten Visualisierung im Hinblick auf Hardwareplattformen, Browserentwicklugnen sowie neue Geschäftsmodelle. Im Kapitel 4 werden die bis dahin vorgestellten Erkenntnisse zur Entwicklung einer neuen Lösung genutzt. Dazu ist es zunächst nötig auf die besonderen Anforderungen einer 3D-Anwendung zur Präsentation von Produkten außerhalb des Engineerings einzugehen. An- Einleitung Grundlagen Verwandte Arbeiten Konzeption

18 4 einleitung Implementierung Auswertung schließend wird das Konzept zur optimierten Bereitstellung und Verarbeitung von Produktdaten für 3D-Anwendungen entwickelt. Der Fokus liegt dabei im Besonderen auf der Quelle der Produktdaten, deren Verarbeitung sowie deren Visualisierung. Das Kapitel 5 beschreibt die prototypische Implementierung der vorgestellten Softwarearchitektur. Es wird auf die Auswahl konkreter Werkzeuge und Softwarebibliotheken zur Umsetzung eingegangen und dargelegt, welche Teile der Konzeption implementiert sind. Kapitel 6 fasst die Ergebnisse dieser Arbeit zusammen und zeigt Potential für die theoretische und praktische Weiterentwicklung der vorgestellten Lösung auf.

19 G R U N D L A G E N produktmodelle Um die in der Industrie entstehenden Informationen rund um Produkte besser in 3D-Anwendungen nutzen zu können, ist ein grundlegendes Verständnis für die Verarbeitung und Speicherung dieser Informationen in den Unternehmen nötig. Wenn im Rahmen dieser Arbeit von Unternehmen oder der herstellenden Industrie gesprochen wird, ist damit primär der Sektor des Maschinen- und Anlagenbaus gemeint. In diesem Zusammenhang sind mit Produkten die Erzeugnisse dieser Branchen gemeint. Man spricht auch von mechatronischen Produkten. Der Begriff bezeichnet Systeme, die Elemente der Mechanik, Elektronik und Informatik vereinen. Fabrikate der Automobil- sowie der Luft- und Raumfahrtindustrie gehören ebenfalls dazu. Im Folgenden wird zu klären sein, welche Informationen die herstellende Industrie über deren Erzeugnisse verwaltet, in welcher Form die Daten abgelegt werden und welche Möglichkeiten zum Auslesen der Informationen bestehen. Somit bilden die folgenden drei Themen die Schwerpunkte dieses Kapitels: Inhalt von Produktmodellen Struktur von Produktmodellen Auslesen von Produktmodellen Erst wenn klar ist welche Informationen wie zur Verfügung stehen, lassen sich Ansätze für eine optimierte Nutzung der Daten im Kontext der 3D-Visualisierung finden. Da der Begriff des Produktmodells eine wesentliche Rolle innerhalb der vorliegenden Arbeit spielt, muss dieser zunächst erläutert werden. Anschließend veranschaulicht die Vorstellung des Produktlebenszyklus den Ursprung der produktbeschreibenden Informationen. Um den Inhalt und die Struktur von Produktmodellen besser verstehen zu können, werden die möglichen Inhalte vorgestellt, um dann auf konkrete Standards und Dateiformate einzugehen, welche in der Lage sind, die entsprechenden Informationen abzubilden. Die Möglichkeiten zum Auslesen jener Informationen lassen sich nachfolgend durch die Diskussion wesentlicher Merkmale informationstechnischer Systeme zur Verwaltung von Produktdaten erkennen. Zunächst wird das Konzept des Produktmodells vorgestellt. Es existieren verschiedene Definitionen dessen, was der Begriff Produkt- 5

20 6 grundlagen Anforderungen Entwicklung Produktplanung Prozessplanung Produktion Betrieb Recycling Sammeln der Anforderungen Programm- / Portfolioplanung Methodik Konzeption Mechanische Konstruktion Elektrische Konstruktion Elektronische Konstruktion Herstellungsressourcenfestlegung Softwarekonzeption Simulation DMU/PMU Prozessplanung Herstellung Distribution Recycling Werkzeugdesign Qualitätsabsicherung Einkauf Simulation/ Testen Zusammenbau Projektplan, Team- & Budgetbestimmung Anforderungsbestimmung Service Wartung & Revision Testen Dokumentation Abbildung 1: Phasen und Tätigkeiten des Produktlebenszyklus, nach [ES09, S. 9] modell bezeichnet. Diese Arbeit geht von folgendem Verständnis des Begriffs aus (vgl. [ES09, S. 27], [Nur09, S. 54]). produktmodell: Ein Produktmodell ist die modellhafte Darstellung eines Produktes in digitaler Form. Ziel ist die Abbildung des Produkts mit seinen für den gesamten Lebenszyklus relevanten Informationen Der Produktlebenszyklus Phasen im Produktlebenszyklus Wie für viele weitere Erzeugnisse lässt sich auch für mechatronische Produkte ein Lebenszyklus erkennen. Dieser beschreibt die Phasen im Leben eines Produktes von den ersten Überlegungen bis hin zur Entsorgung. Nach STARK ist der Lebenszyklus jedoch nicht einheitlich, sondern stets abhängig von der Sicht auf diesen. Für den Vertrieb könnten sich die Phasen als Produkteinführung, Anstieg des Absatzes, Sättigung des Marktes und Absinken des Absatzes darstellen. Der Produktlebenszyklus lässt sich ebenfalls aus dem Blickwinkel des Herstellers oder des Endkunden betrachten sowie im Hinblick auf die globale Ressourcenkette [Sta05, S ]. Für die weiteren Betrachtungen ist die Sicht vom Hersteller von besonderer Bedeutung. Schließlich ist es der Hersteller, der im Rahmen der virtuellen Produktentwicklung (VPE) die wesentlichen Informationen zu seinen Produkten verwaltet und speichert. Der Produktlebenszyklus ist aus dem Grunde von Bedeutung, da mit jeder Phase aus Sicht des Unternehmens bestimmte Tätigkeiten verbunden sind. Zu diesen Tätigkeiten werden Informationen über die Produkte verarbeitet und gespeichert. Der Produktlebenszyklus dient hier dem Überblick der im produzierenden Unternehmen für ein Produkt anfallenden Daten. Abbildung 1 zeigt die Phasen im Produktlebenszyklus mit den zugehörigen Tätigkeiten. In den mittleren Phasen Produktplanung, Entwicklung, Prozessplanung und Produktion fallen in herstellenden Unternehmen traditio-

21 2.1 produktmodelle 7 nell die meisten Informationen an. Dieser Teil wird als Produktentstehungsprozess bezeichnet [ES09, S. 10]. Ziel des Produktentstehungsprozesses, als Bereich des Produktlebenszyklus, ist die vollständige elektronische Beschreibung des virtuellen Produktes. Die Dokumente betreffen dazu neben dem Produkt selbst auch deren Produktion. In diesem Zusammenhang wird auch deutlich, dass sich der Lebenszyklus weniger auf das konkrete physische Produkt in den Händen des Kunden bezieht, als viel mehr auf die intellektuelle Beschreibung der Produktreihe als Eigentum des Unternehmens. In den Unternehmen setzt sich zunehmend die Erkenntnis durch, dass es nicht ausreichend ist, nur Daten des Produktentwicklungsprozesses einheitlich zu speichern und zu verarbeiten. Eine ganzheitliche Sichtweise auf den Produktlebenszyklus verbreitet sich zunehmend. Herstellende Unternehmen verwalten heute auch Daten, welche die Produkte betreffen, nachdem sie die Werkshallen verlassen haben. Aktivitäten in diesem Zusammenhang werden als Product Lifecycle Management (PLM) bezeichnet Inhalt und Struktur von Produktmodellen Durch den Lebenszyklus der Produkte ist bereits deutlich geworden, aus welchen Aktivitäten und Phasen sich die produktbezogenen Informationen ergeben. An dieser Stelle soll dargestellt werden, welche Daten in Industrieunternehmen potentiell zu deren Produkten vorliegen und wie sich diese inhaltlich strukturieren lassen. Weiterhin ist von Interesse, welche dieser Daten besonders relevant für die Verwendung in 3D-Anwendungen zu Vertriebszwecken sind. Generell lässt sich feststellen, dass es eine vollständige Auflistung aller möglichen Informationen zu Produkten nicht geben kann. Welche Daten ein Unternehmen über seine Produkte führt, hängt unter anderem von der Branche, dem Unternehmen und nicht zuletzt von der Art der Produkte ab. Es wäre nicht sinnvoll alle Typen von Informationen auflisten zu wollen, die je über ein Produkt der hier fokussierten Branchen angefallen sind. In diesem Sinne lässt sich kein allgemeingültiges Informationsmodell für mechatronische Produkte formulieren. Wohl aber lassen sich jene Daten bezeichnen, die besonders häufig in solchen Unternehmen anfallen und als branchenüblich gelten. In der Literatur finden sich unterschiedliche Ansätze, um die Inhalte von Produktmodellen strukturiert aufzuführen. Es lassen sich Aspekte erkennen wie die Phase im Lebenszyklus, in der die Informationen erzeugt werden. Auch eine Kategorisierung danach, ob ein direkter Bezug zum Produkt besteht oder nicht, ist denkbar. Bei Daten mit direktem Produktbezug wird auch von produktdefinierenden oder produktbeschreibenden Daten gesprochen [SI08, S. 7]. Dem gegenüber stehen etwa Informationen zu Bestellprozessen, der Ferti-

22 8 grundlagen gung oder dem Personalwesen, die zwar eine Zugehörigkeit zu einer konkreten Produktreihe erkennen lassen, diese selbst jedoch nicht direkt beschreiben. Nach EIGNER und STELZER ergibt sich der Inhalt von Produktmodellen aus folgenden Teilen [ES09, S 28]: Produktstammsatz und Produktstruktur Dokumente und Dokumentenstruktur Unter Stammdaten werden dabei jene Daten verstanden, die selbstständig, ohne Beziehung zu anderen Daten aussagefähig sind. Beschreibungen der Geometrie oder Preisinformationen fallen beispielsweise in diese Kategorie. Strukturdaten stellen dagegen die Beziehungen zwischen den Ausprägungen von Stammdaten her. Stücklisten erfüllen unter anderem dieses Kriterium. Ein Dokument stellt laut DIN 6789 eine als Einheit gehandhabte Zusammenstellung von Informationen dar, die nicht flüchtig auf einen Informationsträger gespeichert sind [ES09, S. 29]. Sie lassen sich in technische und kommerzielle Dokumente einteilen und enthalten eine Dokumentenstruktur. Sie basieren weiterhin auf Industriestandards, proprietären Formaten oder genormten Formaten. SAAKSVUORI und IMMONEN betrachten Produktdaten hingegen unter anderen Aspekten. Sie erkennen in Bezug auf den Inhalt von Produktdaten im Groben drei Gruppen [SI08, S. 7]: Daten zur Produktdefinition Daten zum Produktlebenszyklus Metadaten zur Beschreibung der Produkt- und Lebenszyklusdaten Daten zur Produktdefinition beschreiben dabei physikalische oder funktionale Eigenschaften. Dies beinhaltet sowohl technische Daten, als auch abstrakte oder konzeptionelle Informationen. Daten dieser Gruppe dienen somit der kompletten Definition des Produktes. In der zweiten Gruppe sehen SAAKSVUORI und IMMONEN jene Daten, mit Bezug zu Prozessen des Produktlebenszyklus. Dies beinhaltet Informationen aus den Bereichen Forschung, Design, Produktion, Nutzung, Wartung und Produktbeseitigung. Auch offizielle Regularien und Vorschriften fallen in diese Kategorie. Darüber hinaus gehören zu den Produktdaten auch Metainformationen. Im Sinne einer Information über Informationen beschreiben sie wiederum die Daten der Produktdefinition und die des Produktlebenszyklus. Beispiele dafür sind Angaben zur Art der Informationen, zum Ablageort, zum Autor oder zu den Zugriffsbeschränkungen.

23 2.1 produktmodelle 9 Produktdatenmodell Technische Informationen Produkt-Geometrie Darstellung 3D/2D Darstellungsangaben Abmessungen Toleranzen Produkt-Technologie Werkstoff Oberflächen-Farbe Oberflächen-Muster Oberflächen-Reflexion Oberflächen-Transparenz Festkörper-Simulation Kinematische-Simulation Funktion Physikalische Eigenschaften Technische Klassifikation Teileart Normierte Benennung Statusdaten Varianten-Entwurfsstückliste Varianten-Planungsstückliste Varianten-Auslieferungsstückliste Varianten-Wartungsstückliste Dokumentation Fertigung Fertigungspläne Betriebsmittel Schablonen Methodenpläne NC-Programmierung Urmodelle Qualitätssicherung Kommerzielle Informationen Absatz Verkaufspreis Rabatte Bonuskonditionen Mindestverkaufsmenge Verpackungsmengen Bestand Akkumulierte Bestände Akkumul. reservierte Bestände Mindestbestand Bedarf Bedarfsart Akkumulierter gedeckter Bedarf Disposition Beschaffungsart Dispositionsart Dispositionsstufe Ersatzteileart Kalkulation Materialkosten Lohnkosten Maschinenkosten Auftragswiederholkosten Lagerkostensatz Produktion Materialkosten Lohnkosten Maschinenkosten Auftragswiederholkosten Beschaffung Lohnkosten Maschinenkosten Auftragswiederholkosten Abbildung 2: Inhalte von Produktmodellen

24 10 grundlagen Bezogen auf die Kategorisierung von Produktdaten nach SAAKS- VUORI und IMMONEN besitzen die produktdefinierenden Informationen der ersten Gruppe die höchste Relevanz für diese Arbeit. Diese sind für die Nutzung im Rahmen von 3D-Anwendungen besonders von Interesse. Schließlich soll in einer Anwendung zur Vertriebsunterstützung vor allem das Produkt selbst beschrieben und beworben werden. Im Folgenden wird daher besonders zu klären sein, welche Daten mit direktem Produktbezug innerhalb produzierender Unternehmen anfallen und welchen Nutzen diese im Kontext von 3D-Vertriebsanwendungen haben können. Eine Übersicht von Informationen, die häufig zu Produkten in der Industrie verwaltet werden, ist in Abbildung 2 dargestellt. Im Groben lässt sich eine Einteilung nach Inhalten mit technischen Bezug und Inhalten mit kommerziellen Bezug treffen. Zu den technischen Daten gehören zum einen Angaben mit direktem Produktbezug, etwa Beschreibungen der Geometrie oder der Technologie des Artikels. Zum anderen existieren technische Informationen mit weniger direktem Produktbezug. Diese Gruppe von Daten bezieht sich hauptsächlich auf Prozesse der Fertigung. Da die Letztgenannten nicht das Produkt selbst beschreiben, sind sie für die Betrachtungen im Rahmen dieser Arbeit weniger von Interesse. Neben der Aufzählung der Inhalte von Produktmodellen ist in Abbildung 2 auch die Relevanz der jeweiligen Inhalte für die Verwendung in 3D-Vertriebsanwendungen dargestellt. Die grau abgebildeten Inhalte sind für solche Anwendungen weniger relevant. Essentiell sind hingegen die geometrischen Informationen, die in den Phasen des Designs und der Konstruktion mit Werkzeugen des CAD entstehen. Neben zweidimensionalen Zeichnungen betrifft dies vor allem dreidimensionale Modelle der Produkte. Diese liegen in sogenannten Volumenmodellen vor und stellen mathematisch präzise Beschreibungen der Produktgeometrie dar. Bei dieser Art von Geometrierepräsentation lässt sich die Form jederzeit anhand von Parametern ändern. Für den Prozess der Konstruktion ist diese Methode günstig, da sie nachträgliche Änderungen an der Form ermöglicht und diese darüber hinaus für Prozesse der Fertigung sehr präzise beschreibt. Für 3D-Anwendungen zur Präsentation der Produkte ist diese Form der Geometriebeschreibung ungeeignet, da sie hohe Anforderungen an die Rechenleistung bei der Darstellung stellt. In Kapitel 4 wird dieses Problem näher beschrieben und Lösungsmöglichkeiten vorgestellt. Relevant für die Darstellung im Kontext einer Vertriebsanwendung sind neben der Geometrie selbst auch Angaben über die Abmessungen von Teilen und Baugruppen. Bezogen auf die Technologie der Produkte sind besonders Angaben zur Beschaffenheit, zur Struktur und zu physikalischen Eigen-

25 2.2 step standard für den produktdatenaustausch 11 schaften von Interesse. Die Beschaffenheit wird durch Angaben zum Werkstoff und durch Oberflächeneingenschaften wie Farbe, Reflexion oder Transparenz beschrieben. Informationen zur Struktur der Produkte liegen explizit in Form von Stücklisten, aber auch implizit innerhalb der 3D-Modelle vor. Der im Kapitel 1 beschriebene Umstand der zunehmenden Komplexität von Artikeln zeigt sich in der Form der Strukturdarstellung innerhalb von Produktmodellen. Die Stücklisten beschreiben die Hierarchie und die Quantität von Baugruppen und Einzelteilen, aus denen Produkte zusammengesetzt sind. Dabei besteht ein Produkt aus einer oder mehreren Baugruppen und eine Baugruppe wiederum aus mehreren Einzelteilen. Die einzelnen Produktvarianten sind nicht explizit in einer Stückliste aufgelistet, sondern in Form von regelbasierten Variantenstücklisten beschrieben (vgl. [ES09, S. 87]). Zudem existieren verschiedene Stücklisten aus Sicht des Produktlebenszyklus. Neben den Entwurfs- und Planungsstücklisten sind besonders die Auslieferungs- und Wartungsstücklisten für die Nutzung in 3D-Anwendungen relevant. Die Beschreibung von physikalischen Eingenschaften erfolgt in der Regel durch Messung oder Simulation. Dazu gehören Angaben des Gewichts oder der Oberflächensteifigkeit, bis hin zu Ergebnissen der Festkörper- und Kinematiksimulation. Bezüglich der kommerziellen Informationen über Produkte interessieren im Hinblick auf vertriebsunterstützende Anwendungen vor allem die Absatzinformationen wie Verkaufspreise, Rabatte oder Bonuskonditionen. 2.2 step standard für den produktdatenaustausch In diesem Abschnitt wird beschrieben, auf Grundlage welcher Formate Produktdaten in der Praxis gespeichert und verarbeitet werden. Diese Problematik ist innerhalb der produzierenden Industrie nach wie vor ein aktuelles Thema (siehe [Fro11], [DBM + 07], [BDP07]). Aufgrund der vielschichtigen Anforderungen unterschiedlicher Branchen und einer Vielzahl von Softwarelösungen sind die Standards in diesem Bereich hoch komplex. Für die Betrachtung im Rahmen dieser Arbeit wird mit STEP der aktuell wohl wichtigste internationale Standard in dieser Domäne näher betrachtet (vgl. [Fro11, S. 4]). Der Fokus liegt im Besonderen auf den Fragen, welche Produktinformationen von einem solchen Standard abgedeckt sind und wie diese üblicherweise ausgetauscht werden. Neben diesen Fragen wird es für ein Grundverständnis dieser wichtigen Norm auch nötig sein, die Grundstrukturen des Standards kurz vorzustellen.

26 12 grundlagen Überblick STEP ist ein durch die internationale Normungsorganisation ISO zertifizierter Standard für den Austausch von Produktdaten. Die formelle Bezeichnung lautet ISO Die Abkürzung STEP beschreibt hingegen den Inhalt des Standards und steht für STandard for the Exchange of Product model data. Der Standard stellt in Bezug auf Produktdaten folgende Funktionalitäten zur Verfügung (vgl. [And00, S. 10]): Speicherung Austausch Archivierung Transformation Ziele von STEP Es werden Mechanismen bereitgestellt, die besonders die systemunabhängige Beschreibung und den Austausch von Produktdaten ermöglichen. Der Fokus liegt dabei auf der Abdeckung von Produktinformationen bezogen auf den gesamten Produktlebenszyklus. Als Folge der Standardisierung zählt STEP heute zu den wichtigsten Austauschformaten im Bereich der virtuellen Entwicklung mechatronischer Produkte. Üblicherweise wird STEP innerhalb von CAD, CAM, CAE, PDM, PLM und anderen CAx-Systemen für den Datenaustausch verwendet. Dabei stellt STEP nicht einfach nur ein Datenformat dar. Es lässt sich viel mehr als Sammlung von Standards verstehen, zu der kontinuierlich neue Teile hinzukommen. In diesem Sinne spricht man von ISO auch als Normenreihe [And00, S. 45]. Tabelle 1 zeigt den groben Inhalt des STEP-Standards durch dessen Einteilung in Serien. Sie fassen inhaltlich zusammengehörige Teile der Norm zusammen. Der Aufbau kann so verstanden werden, dass zunächst grundlegende Strukturen und Inhalte definiert werden, um sie in verschiedenen höheren Anwendungsbereichen nutzen zu können. Als Beispiel sei die Modellierungssprache EXPRESS erwähnt. Eigens für STEP entwickelt, ermöglicht sie das Erstellen von Referenzmodellen für mehrere Anwendungsdomänen. So wurden mit Hilfe dieser Modellierungssprache spezialisierte Referenzmodelle für den Datenaustausch im Bereich des Automobil- sowie des Schiffbaus definiert. In diesem Sinne können die Teile (engl. parts) als grundlegende Werkzeuge verstanden werden, um die Beschreibung und den Austausch von Produktinformationen in unterschiedlichen Anwendungsbereichen zu ermöglichen. Zu diesen grundlegenden Inhalten zählen neben der bereits erwähnten Modellierungssprache etwa Festlegungen zur Implementierung und Qualitätssicherung von Softwarelösungen. Erwähnenswert sind darüber hinaus die Inhalte der 40er- Serie. Dort werden generische Ressourcen zur Beschreibung der Geo-

27 2.2 step standard für den produktdatenaustausch 13 serie inhalt 1-10 Einführende Dokumente, Zielsetzung, Aufbau der Norm 10er 20er 30er 40er Spezifikationsmethoden zur Beschreibung von Modellen (Modellierungssprache EXPRESS) Normen zur Implementierung von Softwarelösungen Methoden zur Konformitätsprüfung von Implementierungen Anwendungsneutrale Produktmerkmale (z. B. Geometriemodell, Produktstruktur, Präsentationsmodell) 100er Anwendungsbezogene Basismodelle (z. B. Zeichnungserstellungs-, Kinematikmodell) 200er 300er 500er Anwendungsprotokolle (AP) zur Verwendung von Produktmodellen in bestimmten Anwendungskontexten Testfälle zur Konformitätsprüfung der AP Allgemeine Konstrukte des Produktmodells Tabelle 1: Strukturierung von ISO (STEP) in Serien (vgl. [And00, S. 44]) metrie und der Struktur von Produkten sowie Angaben zur Präsentation von Produktdaten bereitgestellt Anwendungsprotokolle Die vorgestellten Grundstrukturen werden durch sogenannte Anwendungsprotokolle (AP) für bestimmte Domänen genutzt. Deren Inhalte definieren die Teile der 200er-Serie. In folgende Gruppen von Anwendungsbereichen lassen sich die AP im Wesentlichen gliedern: Mechanisches Design Elektronik Schiffbau Fertigung Life Cycle Support Eine Liste der Anwendungsprotokolle ist im Anhang in Tabelle 9 dargestellt. Davon sind für die Praxis allerdings nur wenige relevant. Die mit Abstand am weitesten verbreiteten Protokolle finden sich innerhalb der Gruppe des mechanischen Designs. Die Inhalte und Refe-

28 14 grundlagen jahr ap-nr name 1994 AP 203 Configuration-controlled 3D designs of mechanical parts and assemblies 1995 AP 214 Core data for automotive mechanical design processes 2012 AP 242 Managed model based 3d engineering Tabelle 2: Wichtige Anwendungsprotokolle (AP) im mechanischen Design und deren Veröffentlichungsdaten renzmodelle dieser Anwendungsprotokolle sind es, die durch CAD-, PDM- oder PLM-Systeme implementiert werden, um Produktdaten zwischen ihnen auszutauschen. Tabelle 2 stellt die wichtigsten Anwendungsprotokolle vor, die im Bereich des mechanischen Designs relevant sind. Am Veröffentlichungsdatum ist zu erkennen, in welcher Reihenfolge diese erschienen sind. Dabei umfasst das spätere Anwendungsprotokoll jeweils die Inhalte des Vorherigen und erweitert diese entsprechend den Erfahrungen und Bedürfnissen der Industrie. Das Anwendungsprotokoll 214 ist, von den drei genannten, aktuell von größter Bedeutung. Es ist überhaupt eines der in der Praxis meistgenutzten Teile der ISO Normenreihe für den Produktdatenaustausch. Aus dem Grund wird darauf im folgenden Kapitel gesondert eingegangen. aktuelle entwicklungen In Tabelle 2 wird weiterhin das AP 242 genannt. Es stellt den Folgestandard des aktuell genutzten Protokolls AP 214 dar und soll voraussichtlich Ende 2012 als ISO-Standard verabschiedet werden. Die Daten sollen dabei verstärkt im XML-Format abgelegt und ausgetauscht werden [Prob]. Dadurch lassen sie sich leichter in internetbasierte Anwendungen integrieren. Vor allem im Bereich des WWW wird das XML-Format häufig zur Verarbeitung und Verbreitung strukturierter Informationen eingesetzt. Daher ist zu erwarten, dass aufgrund von weit verbreitetem know-how und einer Vielzahl von Werkzeugen zur XML-Verarbeitung künftige Datenmodelle der Industrie besser weiterverarbeitet werden können. Bisher gestaltet sich das Lesen und Schreiben von Daten im STEP-Format, ohne erhebliches Wissen um den Standard und spezielle Softwarebibliotheken, als schwierig. Weiterhin kommt im Standardisierungsprozess des AP 242 auch der Umstand zum tragen, dass die Ergebnisse der virtuellen Produktentwicklung zunehmend für Anwendungen im Visualisierungsumfeld

29 2.2 step standard für den produktdatenaustausch 15 genutzt werden sollen. So wird im Rahmen der Entwicklung dieser Norm speziell auf Anforderungen der Visualisierung eingegangen. Zu diesem Zweck soll die Normung des AP 242 eng mit dem, ebenfalls aktuell in der Standardisierung befindlichen, Grafikformat Jupiter Tesselation (JT) abgestimmt werden. Es ist geplant, beide Formate so zu spezifizieren, dass JT als leichtgewichtiges Format für die Repräsentation der Geometrie dient und STEP als Informationsträger für Daten des Produktlebenszyklus genutzt wird. Das JT-Format ist dazu deutlich stärker auf Anforderungen der Visualisierung in verteilten Umgebungen optimiert. Möglichkeiten der Kompression beschleunigen beispielsweise die Übertragung der Daten und verschiedene Detailgrade (Level of Detail (LOD)) der Geometrie sorgen für eine Anpassung der Geometriekomplexität an die Leistungsfähigkeit der darstellenden Geräte Anwendungsprotokoll 214 Wie bereits erwähnt, stellt das AP 214 einen der wichtigsten Teile der ISO dar und ist damit ein weit verbreitetes Format für den Austausch von Produktdaten im Bereich des mechanischen Designs. Der Name Core data for automotive mechanical design processes lässt vermuten, es handle sich um einen Standard ausschließlich zur Verwendung in der Automobilindustrie. Die Norm findet jedoch auch in der Luftund Raumfahrtindustrie sowie im Maschinen- und Anlagenbau breite Anwendung (vgl. [Scr06, S. iv]). Der Fokus dieses Anwendungsprotokolls liegt auf Daten, die während der Designphase entstehen. Dies beinhaltet den Austausch von produktbeschreibenden Daten, wie Geometrien auf der einen Seite und den Austausch von organisatorischen Daten, etwa jene der Prozessplanung, auf der anderen Seite [And00, S. 132]. Im Vordergrund stehen dabei die Produktstruktur und die Handhabung der Varianten von Produkten, die in der Automobilindustrie üblicherweise zahlreich sind. Welche Produkteigenschaften durch STEP entsprechend des AP 214 beschrieben werden, ist im Standard durch eine Reihe von Funktionseinheiten, Unit of Functionality (UoF) genannt, festgelegt. Der Standard ordnet diese Funktionseinheiten dabei in folgende logische Gruppen entsprechend deren Inhalten: Oberflächeneigenschaften Zeichnungen Externe Referenzen Formmerkmale Geometrie

30 16 grundlagen Kinematik Messdaten Produkteigenschaften Darstellung Produktstruktur Toleranzen Im Anhang sind in Tabelle 10 die logischen Gruppen mit den entsprechenden UoF des AP 214 aufgelistet. Im Folgenden soll nur auf die für diese Arbeit wichtigsten Inhalte näher eingegangen werden. In Unterabschnitt sind bereits die generellen Inhalte von Produktmodellen im Umfeld des Maschinen- und Anlagenbaus genannt worden. Viele davon finden sich im AP 214 wieder. oberflächeneigenschaften Der Standard bietet die Möglichkeit die Oberflächenbeschaffenheit von Produkten zu beschreiben. Dazu gehören vor allem visuelle und haptische Informationen. Zu den visuellen Informationen zählen Angaben wie Farb-IDs, Farbnamen, die Reflektivität, die Bezeichnung der Musterung (z.b. für Sitzbezüge) oder der Grad der Transparenz der Oberfläche. Darüber hinaus lassen sich auch Informationen zum Härtegrad und zur Oberflächenrauigkeit machen. Angaben zum Werkstoff sind ebenfalls möglich. geometrie Die UoF der Gruppe Geometrie des Anwendungsprotokolls 214 definieren acht mögliche Formen der Geometrierepräsentation (siehe Tabelle 10, Anhang). Einige beschreiben lediglich grundlegende geometrische Primitiven oder erweitern andere Teile um bestimmte Eigenschaften. So lassen sich im wesentlichen folgende vier Formen geometrischer Modelle im Anwendungsprotokoll 214 erkennen: Drahtgittermodelle Flächenmodelle Konstruktive Festkörpergeometrien Punktwolken Die Drahtgittermodelle (engl. wireframe models) besitzen keine Flächen und bestehen lediglich aus Punkten, Linien und Kurven. Die Norm kennt zwei- und dreidimensionale Drahtgittermodelle. Oberflächenmodelle (engl. surface model), in der durch STEP definierten Form, beschreiben die Hüllen geometrischer Körper. Dabei besteht die Hülle aus einer Sammlung von miteinander verbundenen Flächen. Diese Flächen werden wiederum zwischen Punkten, Kanten

31 2.2 step standard für den produktdatenaustausch 17 oder Kurven aufgezogen. Das AP 214 kennt in dem Zusammenhang Oberflächenmodelle, die nur aus planaren Flächen bestehen und jene, die auch kurvige Geometriekörper enthalten können. Konstruktive Festkörpergeometrien ermöglichen den Austausch von Geometrien, wie sie in der Regel im Rahmen der CAD-Modellierung anfallen. Ein solches Modell setzt sich aus Primitiven wie Würfeln, Zylindern oder Kugeln zusammen, die durch boolesche Operationen zu komplexeren Formen verknüpft werden. Die Objekte, sog. solids, können darüber hinaus veränderbare Parameter besitzen, deren Werte die Geometrie beeinflussen. Punktwolken sind zwar nicht durch eine eigene UoF beschrieben, aber dennoch im Standard enthalten. Sie stellen eine Sammlung kartesischer Koordinaten, mit oder ohne Richtungsvektor dar und entstehen üblicherweise als Ergebnis von 3D-Scans. Neben den vier vorgestellten Formen der Geometrierepräsentation definiert das AP 214 ein sogenanntes Verbundmodell (engl. compound model). Dieses stellt jedoch keine eigene geometrische Beschreibungsform dar. Ein Verbundmodell sammelt verschiedene geometrische Objekte und vereint sie in einem topologisch verbundenen Modell. Dazu gehören Drahtgitter- und Flächenmodelle sowie konstruktive Festkörpergeometrien. produktstruktur: variantenmanagement Das Prinzip hinter der Handhabung der Variantenvielfalt durch STEP beruht auf einer generischen Produktstruktur (vgl. [MPMS98, S. 1]). Das heißt, es existiert keine einzigartige Bezeichnung für jede produzierbare Variante eines Produktes. Es werden vielmehr Regeln definiert, die eine Kombination verschiedener Komponenten spezifizieren. Das Ziel der Anwendung dieser Regeln ist es, zu prüfen, ob die Kombination bestimmter Produktkomponenten zulässig ist. Um die grundlegenden Konzepte des Variantenmanagements, auf Basis des AP 214, anschaulich darzustellen, soll ein Beispiel herangezogen werden. Abbildung 3 stellt eine einfache generische Produktstruktur eines Fahrzeuges dar. Die Grafik beschränkt sich dabei auf die wichtigsten Konzepte. Das Anwendungsprotokoll 214 bietet zur Beschreibung von Produktvarianten einige Möglichkeiten mehr. Das im Beispiel vorgestellte Produktmodell könnte bei gleicher Bedeutung auch in anderer Form definiert werden. Das Grundkonzept dieser generischen Produktstruktur basiert auf der Definition von Produktklassen (product class) und deren näherer Beschreibung durch Eigenschaften. Zu diesen Eigenschaften gehören Spezifikationskategorien (specication category), Spezifikationen (specication), Spezifikationsausdrücke (specication expression) und Spezifikationseinbeziehungen (specication inclusion). Diese Eigenschaften werden als Anwendungsobjekte (application objects) bezeichnet und sind in Abbildung 3 rechts dargestellt. Auf der linken Seite der

32 18 grundlagen»wohnmobil«product CLASS class_category_association; mandatory»motorisierung«specification CATEGORY class_specification_association; replaceable standard category»motor 2,3l«alternative_solution SPECIFICATION»Motor 2,8lKomfort-PaketDachantenneDachfensterTempomat«NOT [Dachfenster AND Dachantenne] class_condition_association; validity SPECIFICATION EXPRESSION if [Komfort-Paket]: Dachfenster AND Tempomat class_inclusion_association; SPECIFICATION INCLUSION Abbildung 3: Grundlagen des Variantenmanagements im AP 214 (STEP)

33 2.3 3d-darstellung im web und auf mobilen geräten 19 Abbildung finden sich die zugehörigen Instanzen dieser Anwendungsobjekte entsprechend des Beispiels. Eine Produktklasse stellt dabei eine Menge gleichartiger Produkte dar, die durch ein Unternehmen angeboten werden. Spezifikationen dienen dazu, die Produktklasse im Hinblick auf Charakteristik und Funktion näher zu beschreiben. Sie stellen in der Regel zur Produktklasse eine»besteht-aus«beziehung her. Damit beschreiben sie Produktkomponenten und können zu Kategorien von Spezifikationen zusammengefasst werden. Eine solche Spezifikationskategorie stellt eine Eigenschaft dar, die ein Produkt prinzipiell besitzen kann. Erst durch eine Spezifikation nimmt diese einen konkreten Wert an. Im Beispiel hält die Produktklasse Wohnmobil eine Beziehung zur Kategorie Motorisierung mit dem Parameter mandatory, was darauf hinweist, dass ein Produkt dieser Klasse eine Spezifikation dieser Kategorie besitzen muss. Darüber hinaus sind auch optionale Kategorien möglich. Für Spezifikationen können Alternativen angegeben werden. Im Beispiel geschieht dies durch eine Verbindung vom Typ alternative- _solution zwischen den Spezifikationen Motor 2,3l und Motor 2,8l. Eine dieser Spezifikationen stellt dabei zunächst die Standardbelegung dar. Ein Spezifikationsausdruck (specication expression) stellt einen logischen Ausdruck zur Formulierung gültiger Konfigurationen dar. Er setzt sich aus Operatoren und Operanden zusammen. Als Operanden können entsprechend des Beispiels Spezifikationen dienen, welche durch die Operationen AND, OR, ONEOF und NOT verknüpft sind. Spezifikationseinbeziehungen binden weitere Spezifikationen ein, falls bestimmte Spezifikationen in der Variante bereits enthalten sind. Dies können im Sinne des Beispiels vordefinierte Pakete sein. Denn jede Spezifikation besitzt eine Eigenschaft package, wodurch sich Spezifikationen einem Paket zuordnen lassen d-darstellung im web und auf mobilen geräten Die Idee, dreidimensionale Inhalte in das Web zu bringen, ist nicht neu. Schon Ende der neunziger Jahre wurde mit VRML97 eine Markupsprache entwickelt, auf deren Grundlage 3D-Inhalte im Browser dargestellt werden können. Verschiedene Gründe führten jedoch dazu, dass ein räumliches Erlebnis im Web zunächst die Ausnahme blieb. Allgemein geringe Rechenleistungen und fehlende Hardwareunterstützung für 3D-Darstellungen gehörten genauso dazu, wie langsame Internetverbindungen und mangelnde Initiative auf Seiten der Browserhersteller. Zur Anzeige von VRML im Web wurden spezielle Plugins benötigt.

34 20 grundlagen In allen genannten Punkten wurden seitdem erhebliche Fortschritte gemacht. Mehrkernprozessoren und dedizierte Grafikhardware, selbst auf kleineren mobilen Geräten, sind mittlerweile die Regel und nicht die Ausnahme. Breitbandige Internetverbindungen trugen in den letzten Jahren zur rasenden Verbreitung von Videoinhalten im Web bei. Damit steht auch der Übertragung dreidimensionaler Inhalte kein Übertragungsproblem im Wege. Vor allem aktuelle Anstrengungen der Standardisierungsgremien und Browserhersteller 3D-Darstellungen mit HTML 5 zu harmonisieren wecken Zuversicht, dass solche Anwendungen in Zukunft starke Verbreitung finden (vgl. [Vö12, S. 111]). Im folgenden werden drei aktuelle 3D-Technologien im Bereich des Web und mobiler Plattformen vorgestellt: WebGL [Weba] Unity3D [Uni] Stage 3D [Stab] webgl Seit 2009 wird unter der Schirmherrschaft der Khronos Group und Mozilla der offene Webstandard Web Graphics Library (WebGL) entwickelt. Dadurch hält hardwarebeschleunigte 3D-Grafik Einzug in den Browser. Technisch stellt WebGL eine JavaScript Bindung auf OpenGL Embedded Systems (ES) 2.0 dar. Das heißt in einem Browser mit entsprechender Unterstützung des Standards können Grafikbefehle mithilfe von JavaScript direkt auf der Grafikkarte ausgeführt werden. Wie auch bei den beiden, im Folgenden vorgestellten Technologien, wird bei dieser 3D-API ein prozeduraler Ansatz verfolgt. Damit ist gemeint, dass in Funktionen definiert wird, wie der Inhalt auf den Bildschirm gezeichnet wird. Deklarative Techniken wie X3DOM [X3D] und XML3D [XML] setzen dagegen, ähnlich wie HTML, auf die Auszeichnung der Inhalte und beschreiben damit was dargestellt wird. Ein wesentlicher Vorteil von WebGL besteht darin, dass kein Browser-Plugin zur Darstellung der 3D-Inhalte benötigt wird. Die Technologie ist direkt im Browsern implementiert. Da die Grafikprogrammierung jedoch auf OpenGL basiert, was traditionell nicht zu den Kernkompetenzen eines Webentwicklers gehört, existieren Frameworks, mit denen auf höherer Ebene Applikationen geschrieben werden können. Zwei verbreitete Vertreter dieser JavaScript Bibliotheken sind Three.js [Thr] und GLGE [GLG]. unity 3d Mit Unity3D bietet das US-Amerikanische Unternehmen Unity Technologies eine 3D-Engine an, die es ermöglicht für eine Vielzahl von Plattformen zu entwickeln. Anwendungen können neben dem Webbrowser auch für mobile Geräte auf Basis von Android oder ios entwickelt werden. Zur Ausführung im Browser wird die

35 2.3 3d-darstellung im web und auf mobilen geräten 21 Installation eines Plugins vorausgesetzt, die sich beim Aufruf einer 3D-Webapplikation allerdings schnell und unkompliziert durchführen lässt. Auch die Erstellung klassischer Desktopanwendungen für Windows- Betriebssysteme und Mac OS X sind möglich. Eine komfortable grafische Entwicklungsumgebung bietet Unterstützung bei der Erstellung der Programme. Zur Programmierung dienen die Skriptsprachen JavaScript, Boo und C#. Für diese Technologie sprechen die umfangreichen Funktionen vorhandener Bibliotheken, die gute Integration weiterer 3D-Werkzeuge in den Entwicklungsprozess sowie die grafische Unterstützung bei der Entwicklung. Darüber hinaus ist es für das Erreichen einer breiten Zielgruppe sehr nützlich, einmal entwickelte Anwendung für mehrere Softwareplattformen exportieren zu können. stage 3d Mit Stage 3D (ehemals Molehill) steht seit Ende 2011 nun auch für die Flash-Plattform hardwarebeschleunigte 3D-Grafik bereit. Technisch stellt es eine API für die Skriptsprache ActionScript 3.0 dar, die wiederum unter Windows auf die Grafikbibliothek DirectX 9 zugreift und unter Mac OS X und Linux auf OpenGL 1.3. Aufgrund der hohen Verbreitung des Flash-Plugins in Browsern stellt es eine Alternative zu den beiden vorher genannten Techniken dar. Im April 2012 verfügten über 95% der Nutzer im Web über das Flash Plugin. Bereits 64% hatten die, zu dem Zeitpunkt, aktuelle Version 11 installiert und damit 3D-Unterstützung [Staa].

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37 V E RWA N D T E A R B E I T E N 3 Im Folgenden werden Arbeiten vorgestellt, die sich mit dem Austausch von Produktmodellen, deren Verarbeitung sowie deren Visualisierung befassen. Vor allem neuere Forschungen im Bereich der virtuellen Produktentwicklung sind für die vorliegende Arbeit relevant. Die Handhabung und Darstellung der Entwicklungsstände beinhaltet ähnliche Aufgaben wie die spätere Verarbeitung und Präsentation finaler Produktmodelle. Durch die im Kapitel 1 bereits angesprochenen Folgen der Globalisierung, ergeben sich für die herstellende Industrie neue Entwicklungsprozesse. Unternehmen trennen sich aktuell zunehmend von der Strategie, die Produktentwicklung vollständig selbst durchzuführen. Es kommt mehr und mehr zu einer Fokussierung auf Kernkompetenzen und die Auslagerung von Aktivitäten an Partnerunternehmen [KMH10, S. 1]. Bei dieser Teilung von Aufgaben spricht man von kollaborativer Produktentwicklung. Häufig sind die Teilnehmer dieser Kollaborationen über den Globus verteilt. Daraus folgen spezielle Anforderungen an den Austausch der Produktdaten und der Bedarf einer möglichst direkten Kommunikation am Modell. Ein Problemfeld der kollaborativen Produktentwicklung auch kollaboratives Design genannt ist die Thematik der verteilten Visualisierung. Dabei wird im Wesentlichen die Darstellung von Inhalten in einem verteilten System verstanden. Diese ist nicht auf den Einsatz im Bereich der Produktentwicklung beschränkt. Gegenstand der Visualisierung können ebenso wissenschaftliche Daten sein. 3.1 datenformate für den austausch und die visualisierung von produkten Für die Repräsentation von Produktmodellen mit samt der Geometrie existieren eine Reihe von Datenformaten, die jeweils für bestimmte Anwendungsfälle unterschiedlich geeignet sind. Besonders interessant sind auf der einen Seite Formate für einen möglichst vollständigen Austausch der Produktmodelle und auf der anderen Seite leichtgewichtige Formate für die Darstellung und die Übertragung im Internet. Mehrere Untersuchungen widmeten sich in dieser Hinsicht der Gegenüberstellung verbreiteter 3D-Formate im Engineering-Umfeld [Fro11] [BFS10] [DBM + 07]. BECKERS et al. untersuchten Anwendungsgebiete und geeignete Formate für die 3D-Visualisierung im Bereich des Engineering 23

38 24 verwandte arbeiten [BFS10]. Sie sehen mögliche Einsatzgebiete vor allem in denen der Konstruktion nachgelagerten Phasen. Dazu gehören etwa Vertrieb, Marketing und Kundendienst. Aktuelle Anwendungsszenarien seien, neben jenen der Produktentwicklung, die High-End Visualisierung. Für den Einsatz im Rahmen der genannten Szenarien schlagen BECKERS et al. ein neutrales leichtgewichtiges Visualisierungsformat vor. Wichtig sei weiterhin dessen Standardisierung, um die Anzahl der eingesetzten Formate in der Praxis im Interesse der Nutzer einzuschränken. Dabei wird JT als vielversprechendes Format zur Lösung dieser Aufgaben hervorgehoben. Dieses stellt ein besonders leichtgewichtiges Format mit Möglichkeiten der Kompression und unterschiedlich detailreichen 3D-Modellen dar, um eine zügige Übertragung und verschiedene Level-of-Detail zu realisieren. JT ist sowohl in der Lage, tesselierte Geometrien zu speichern, als auch exakte Produktrepräsentationen, wie sie für Aufgaben der Entwicklung benötigt werden. Besonders interessant ist das Format durch die Option Material-, Farb- und Texturinformationen speichern zu können. Materialinformationen insbesondere Texturen sind bei Austauschformaten im Kontext der herstellenden Industrie die Ausnahme, zur hochwertigen Darstellung von Produkten jedoch oft unverzichtbar. BECKERS et al. stellen in ihrer Arbeit Untersuchungen zur Praxistauglichkeit des Formates im Hinblick auf die Unterstützung durch die Hersteller von branchenüblicher Software an. Dazu wurden die im Automobilbau verbreiteten CAD-Anwendungen CATIA V5 [Cat], Pro/ENGINEER [Proa] und NX [NX] auf deren Qualität in Bezug auf die Unterstützung von JT betrachtet. Gemeint sind damit die Fähigkeiten, das Format einlesen und auf die innere Datenstruktur abbilden zu können, wie auch die umgekehrte Prozedur in Form des Exports der Produktdaten. Dieser Praxistest zeige eine größtenteils korrekte Verarbeitung der Geometrie, aber nur in wenigen Fällen den richtigen Umgang mit Farbwerten (RGB). Eine Konvertierung von Texturen konnte bei den getesteten Softwarepaketen jedoch nicht nachvollzogen werden. Das Resümee der Arbeit liegt darin, JT zum Zeitpunkt der Untersuchung nicht für den produktiven Einsatz zu empfehlen [BFS10, S. 339]. Der Stand sei jedoch ermutigend und lässt darauf schließen, dass in absehbarer Zeit eine ähnlich umfangreiche Unterstützung und Robustheit der Implementierungen, wie auch bei STEP erwartet werden kann [BFS10, S. 342]. In einer weiteren Studie wurde die Eignung ausgewählter 3D-Formate für den Einsatz in häufig auftretenden Anwendungsszenarien im Engineering-Umfeld untersucht [Fro11]. Die Ergebnisse sollen einen Überblick und eine Orientierungshilfe zur Identifizierung des

39 3.1 datenformate für den austausch und die visualisierung von produkten 25 Legende Sehr gut geeignet Gut geeignet Geeignet mit Einschränkungen Szenario STEP 3D XML JT 3D PDF Viewing Datenaustausch DMU Dokumentation und Archivierung Portable PLM Document Abbildung 4: 3D-Formate im Engineering-Umfeld, nach [Fro11, S. 4] passenden 3D-Formats für bestimmte Aufgaben geben. Identifiziert wurden dabei folgende Szenarien. 1. Visualisierung von Engineering-Daten 2. Datenaustausch 3. Digital Mock-Up 4. Dokumentation und Archivierung 5. Verwendung von 3D-Informationen in Bereichen mit Engineering-Bezug Relevant für die vorliegende Arbeit sind im besonderen die Ergebnisse bezüglich der ersten drei Anwendungsfälle. Abbildung 4 stellt zusammenfassend die Resultate der Untersuchung dar. Für das erste Szenario stellt sich die Frage nach dem besten Format für die Darstellung in 3D-Viewern und die realitätsnahe Abbildung in VR-Systemen. Für diesen Anwendungsfall wurden die Performanz der Darstellung, sowie die Möglichkeit der Abbildung von Metadaten berücksichtigt. Weitere Anforderungen für die Visualisierung sieht FROEHLICH in einer quellsystemunabhängigen Darstellung, einer Filterung durch verschiedene Sichten oder Ebenen und in der Unterstützung von Texturen und Lichtquellen für die Darstellung in VR-Systemen. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass sich für den Anwendungsfall der Visualisierung von Engineering-Daten JT und 3D-PDF am besten eignen würden. Die Stärken von JT seien in diesem Zusammenhang die Fokussierung auf eine leichtgewichtige Repräsentation der Visualisierung

40 26 verwandte arbeiten Datenaustausch Digital Mock-Up Modelle in Form von tesselierter Geometrie. Darüber hinaus sei die Verfügbarkeit von kostenfreien 3D-Viewern ein Grund für die Bewertung [Fro11, S. 19]. Für das Szenario des Datenaustausches wurden die 3D-Formate auf deren Potenzial hin untersucht, die Geometrie möglichst exakt und die Produktstruktur möglichst vollständig repräsentieren zu können. Für den Austausch von Daten im Engineering-Umfeld ist neben der Übertragung der Geometrie auch die Übertragung von textbasierten Produktbeschreibungen und von 3D-Annotationen gefordert. Gefordert ist für diesen Anwendungsfall weiterhin, dass der Datenaustausch in einer Form erfolgt, welche die Nachbearbeitung der Produktmodelle begünstigt. FROEHLICH empfiehlt für den Datenaustausch, mit den soeben beschriebenen Anforderungen, die Nutzung von STEP. Es sei prädestiniert für dieses Szenario, da es eine ausgereifte internationale Norm darstellt und eine Vielzahl von Anwendungen dieses Format unterstützen. Darüber hinaus wird angeführt, dass der Einsatz von STEP zum Datenaustausch bereits gängige Praxis in den Branchen Automobil- und Maschinenbau, sowie in der Luft- und Raumfahrt sei. Für den Austausch reiner Geometriedaten würde sich darüber hinaus auch JT eignen. Dieses Format habe allerdings noch keinen so hohen Reifegrad wie STEP erlangt [Fro11, S. 19]. Das dritte durch FROEHLICH betrachtete Szenario befasst sich mit der Prüfung von mechanischen Zusammenhängen von Produkten anhand computergestützter Versuchsmodelle. Für diese Prüfung werden neben der Geometrie auch Metainformationen und die Produktstruktur benötigt. Für Simulationen wie die Kollisionsprüfung sind Hüllgeometrien des Produktes in tesselierter Form erforderlich. Wie Abbildung 4 erkennen lässt, legen die Ergebnisse der Arbeit den Einsatz des JT-Formates für das Digital Mock-Up nahe. Dieses sei aufgrund der leichtgewichtigen facettierten (tesselierten) Geometrieformen besonders für diesen Anwendungsfall geeignet. Es wird jedoch angemerkt, dass JT Einschränkungen in der Repräsentation von Kinematiken habe [Fro11, S. 20]. Die Studie stellt fest, dass trotz der generellen Empfehlungen der 3D-Formate für bestimmte Szenarien eine Gewichtung der Eigenschaften für den konkreten Anwendungsfall in einem Unternehmen erforderlich ist [Fro11, S. 6]. Für den in dieser Arbeit fokussierten Anwendungsfall einer 3D- Anwendung für Vertriebszwecke lassen sich aus dieser Arbeit wichtige Hinweise auf das zu verwendende Datenformat entnehmen. Der in der vorliegenden Arbeit fokussierte Anwendungsfall vereint Anforderungen der von FROEHLICH betrachteten Szenarien Viewing und Datenaustausch. Unterschiede bestehen jedoch darin, dass die hier angestrebte 3D-Anwendung zur Vertriebsunterstützung über eine bloße Betrachtung der Geometrie hinaus geht. Ein 3D-Viewer mit

41 3.2 serviceorientierte ansätze im kollaborativen produktdesign 27 vorgefertigtem festen Funktionsumfang ist daher ungeeignet für die Darstellung der Produkte. Bezogen auf den Datenaustausch stellt der Anwendungsfall dieser Arbeit ebenfalls die Anforderung ein Produkt möglichst vollständig beschreiben zu können, verzichtet jedoch auf die Möglichkeit der Nachbearbeitung von Produktmodellen. Aufgrund der Ergebnisse von FROEHLICH wurden STEP und JT als besonders interessante Formate für die in dieser Arbeit zu lösenden Aufgabe identifiziert. JT ist jedoch kaum in der Lage, Informationen zu Produkten über die Geometrie hinaus zu repräsentieren. Ein weiteres Manko ist die, im Vergleich zu STEP, noch nicht so starke Verbreitung in der Industrie und das Vorhandensein nur eines SDKs (JT Open Toolkit) zur Entwicklung von Anwendungen mit JT-Unterstützung in der für Webanwendungen unvorteilhaften Programmiersprache C serviceorientierte ansätze im kollaborativen produktdesign Neben dem Format für den Datenaustausch spielt auch die Methode eine entscheidende Rolle. Dies gilt sowohl für das in dieser Arbeit angestrebte Szenario der Aufbereitung von Produktmodellen zur Darstellung in vertriebsorientierten 3D-Anwendungen, als auch für das in der herstellenden Industrie aktuelle Thema der kollaborativen Produktentwicklung. Im Bereich der verteilten Systeme nimmt in diesem Zusammenhang das Konzept der serviceorientierten Architekturen (SOA) einen hohen Stellenwert ein. Eine Reihe von Arbeiten befasste sich mit der Anwendung dieses Konzeptes auf Problemstellungen des kollaborativen Designs [KMH10] [SLV08] [YTD06] [CLG06]. KIM et al. entwickelten ein Framework zum Teilen von CAD-Daten auf Basis von Webservices. Firmen soll damit eine Integration von IT-Systemen für die temporäre Zusammenarbeit während der Produktentwicklung ermöglicht werden. Mit Hilfe von standardisierten Schnittstellen, Datenformaten und Protokollen kann eine lose Kopplung solcher Systeme für den Datenaustausch realisiert werden. Damit werden Daten zwischen Softwaresystemen geteilt und nicht mehr im herkömmlichen Sinne durch Import und Export von Dateien ausgetauscht. Tabelle 3 stellt die Unterschiede zwischen dem Austausch und dem Teilen von Daten am Beispiel von CAD-Daten gegenüber. Das Ziel eines serviceorientierten Ansatzes ist es, die Abhängigkeiten zwischen den beteiligten Systemen zu minimieren. Die Änderung einer Komponente beeinflusst andere Komponenten in einer serviceorientierten Architektur nur minimal. Webservices setzen das Konzept der SOA nach Auffassung von KIM et al. am besten um und lösen die Probleme ähnlicher Kommunikationstechnologien wie COR-

42 28 verwandte arbeiten austausch von cad-daten Veranlasst durch Urheber Konvertierung in neutrales Format Daten bestimmt durch festen Zeitpunkt Erzeugung einer Kopie teilen von cad-daten Veranlasst durch Empfänger Nutzung einer API des Urhebers Daten auf Anfrage in Echtzeit Einheitlicher Datenbestand Tabelle 3: Gegenüberstellung der Konzepte des Austauschs und des Teilens von CAD-Daten (vgl. [KMH10, S. 3]) BA, JavaRMI oder DCOM. Dazu gehören beispielsweise die Plattformabhängigkeit und Schwierigkeiten beim Passieren von Firewalls [KMH10, S. 4]. Das von KIM et al. entwickelte Softwaresystem zum Austausch von Konstruktionsdaten stützt sich auf eine mehrschichtige Architektur zur Abstraktion der jeweils darunter liegenden Schicht. Die drei Schichten sind folgende [KMH10, S. 7]. Web Service Layer CAD Adaptor Layer CAD System Layer Die erste Schicht stellt die Schnittstelle nach außen dar und bietet entsprechend dem SOAP-Protokoll für Webservices eine Beschreibung der verfügbaren Dienste in Form einer WSDL an. Auf Anfrage durch einen Client liefert der Dienst ein auf XML basierendes, durch die Autoren der Arbeit selbst definiertes, Datenformat mit den entsprechenden Konstruktionsdaten. Der CAD Adapter als zweite Schicht dient der Abstraktion der darunter liegenden CAD-Systeme. Durch seine neutrale API stellt er eine Überbrückung der high-level Webservice Schicht und der low-level CAD-System Schicht dar. Damit ist ein Tausch des CAD-Systems mit nur minimalen Anpassungen verbunden. Die unterste Schicht stellt die API der Konstruktionssoftware dar, welche durch deren Hersteller vorgegeben ist. KIM et al. führen weiterhin an, dass sie datenzentrierte Schnittstellen statt methodenzentrierten Schnittstellen für ihre Architektur einsetzen. Diese seien simpler und ermöglichten die Übertragung größerer Datenmengen pro Transaktion. Potenzielle Schwächen sehen die Autoren der genannten Arbeit in der offenen Natur von Webservices. In dieser Hinsicht seien Anforderungen an Sicherheit, Autorisierung und Authentifizierung zu berücksichtigen [KMH10, S. 6].

43 3.3 entwicklungen im bereich verteilter visualisierungen 29 Bezogen auf die Aufgabenstellung der vorliegenden Arbeit dienen die Erkenntnisse von KIM et al. der Konzipierung der Schnittstellen und Komponenten einer Softwarearchitektur zur Aufbereitung von Produktdaten. Besonders hervorzuheben sind dabei die Eigenschaften der Serviceorientierung, welche eine lose Kopplung von Systemkomponenten ermöglicht, die mehrschichtige Architektur zur Abstraktion darunter liegender Ebenen sowie die Datenzentriertheit des vorgestellten Konzeptes. Zur Anwendung der Erkenntnisse der eben diskutierten Arbeit auf die vorliegende Aufgabenstellung unterliegt jedoch Einschränkungen. KIM et al. fokussierten ihre Arbeit auf den Austausch von CAD-Daten. Es wurden weder weitergehende Produktinformationen im Sinne von Metainformationen in die Überlegungen einbezogen, noch spielt die Aufbereitung der Daten eine Rolle. Es lassen sich lediglich die Informationen nach außen bereitstellen, die das CAD-System auf unterster Ebene durch seine API anbietet. Darüber hinaus stellt die Nutzung eines eigenen XML-Formates eine Einschränkung in der Interoperabilität mit anderen Anwendungen dar. 3.3 aktuelle entwicklungen im bereich der verteilten visualisierung In den letzten Jahren führten ein Reihe von Entwicklungen in der Informationstechnik zu neuen Lösungen und Geschäftsmodellen. An dieser Stelle sollen dies betreffend wichtige Technologien und Paradigmen vorgestellt und Lösungen im Bereich der kollaborativen Visualisierung angesprochen werden, die davon profitieren. MOUTON et al. führten in diesem Zusammenhang eine Untersuchung aktueller Trends im Bereich der verteilten Visualisierung durch [MSG11]. Die folgenden Ausführungen stützen sich auf die Erkenntnisse dieser Arbeit, beschränken sich jedoch nicht darauf. entwicklungen Eine prägende Technologie in jüngster Zeit ist das cloud computing. Durch eine Abstraktion der zugrunde liegenden Hardware von IT-Infrastrukturen können Rechenleistung und Dienste dynamisch an den Bedarf angepasst werden. Dabei spielt im Besonderen der Einsatz virtueller Maschinen eine Rolle. Diese sind auf mehreren physischen Rechnern verteilt und vereinnahmen je nach Bedarf mehr oder weniger Ressourcen. Darauf aufbauende Geschäftsmodelle ermöglichen die flexible Nutzung von Infrastrukturen und damit verbunden die Abrechnung im Sinne des»pay-per-use«ohne größere Vorabinvestitionen [MSG11, S. 105]. Ein weiterer relevanter Trend ist die Veränderung des Formfaktors von Computern hin zu kleineren mobilen Geräten. Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass sich der Gebrauch von Mobilgerä-

44 30 verwandte arbeiten ten längst nicht nur auf Multimediaanwendungen im Freizeitbereich beschränkt. Beim Einsatz privat erworbener Geräte in Unternehmen durch die Mitarbeiter spricht man vom Trend des»bring-your-own-device«. Da von den Mitarbeitern oft hohe Flexibilität erwartet wird, setzten diese zunehmend auf den Einsatz von Smartphones und Tablets als Produktivwerkzeuge [Goo12, S. 3]. Hinzu kommt, dass die Leistungsfähigkeit dieser Geräteklasse im Laufe weniger Jahre deutlich gestiegen ist. Seit dem Frühjahr 2012 sind Quad-Core Prozessoren für Smartphones auf dem Markt, eine Technologie, die bis vor kurzem noch PC-Workstations vorbehalten war (vgl. [Hei]). Dies, zusammen mit den hohen Bandbreiten der Mobilfunknetze, führt zur Situation, dass für die Visualisierung im Privaten, wie auch im Unternehmensumfeld, zunehmend kleinere mobile Geräte attraktiv werden. Durch die hohe Bandbreite der Netze und die hardwarebeschleunigte Video-Dekodierung lassen sich hochauflösende Videoströme auf mobile Geräte übertragen und abspielen. Diese Form des Streamings im Bereich interaktiver 3D-Grafikanwendungen zeigt der gaming-on-demand Anbieter OnLive [OnL]. Dessen Lösung erlaubt es, auf mobilen Geräten Videospiele mit den höchsten Anforderungen an Rechenleistung spielen zu können. Ermöglicht wird dies durch die Ausführung der Anwendung auf einem Server des Anbieters, in Verbindung mit dem Streaming eines speziell komprimierten Videoformates auf den mobilen Client. Vom Client zum Server werden lediglich Nutzereingaben übertragen. Diese Idee löst sich vom klassischen Konzept, eine 3D-Anwendung nur auf dem Gerät ausführen zu können, auf dem sie installiert ist. Diesem Ansatz des Renderns der 3D-Szenen auf dem Server mit anschließender Übertagung als Videostream, steht das Konzept des clientseitigen Renderns gegenüber. Dabei wird der Szenengraph auf das Gerät übertragen und das Bild lokal berechnet. In diesem Zusammenhang gibt es aktuelle Anstrengungen des Web- 3D Konsortiums, eine Methode zur binären Kompression des X3D- Formates zu standardisieren. In komprimierter Form soll dieses Format, genannt X3D-binary, nur etwa 10% des Datenvolumens der herkömmlich textkodierten Variante ausmachen. Damit eignet es sich besonders zur Übertragung von 3D-Inhalten im Kontext des Internet. Seit 2011 liegt die zweite Version des Standards mit dem Status»final-draft«vor, der letzten Stufe vor der Veröffentlichung als internationaler Standard [Webb]. Weitere relevante Entwicklungen betreffen das Web und im Besonderen die Standardisierung im Umfeld von HTML 5. Spätestens mit dem Aufkommen von Ajax, als Konzept der asynchronen Kommunikation im Web, begann eine Migration von klassischen Desktopanwendungen in das Web.

45 3.3 entwicklungen im bereich verteilter visualisierungen 31 Der aktuelle Prozess der Spezifizierung der WebSocket API durch das W3C geht noch einen Schritt weiter und ermöglicht eine bidirektionale asynchrone Kommunikation im Vollduplex Übertragungsmodus [W3C]. Vollduplex meint dabei, dass zeitgleich mit maximaler Geschwindigkeit sowohl gesendet als auch empfangen werden kann. Auch die File API und die Unterstützung von Videos in HTML 5 werden komplexere Webanwendungen ermöglichen, ohne auf ein Browser-Plugin angewiesen zu sein. Vor allem aber wird WebGL die Implementierung von Anwendungen zur verteilten und kollaborativen Visualisierung im Web vorantreiben. Erst dadurch werden ohne Plugins dreidimensionale Inhalte hardwarebeschleunigt im Browser dargestellt. Unter der Schirmherrschaft der Khronos Group entwickelt, bietet WebGL die Möglichkeit, mittels JavaScript 3D-Objekte auf die Leinwand (»canvas«) von HTML 5 zu zeichnen. anwendung der entwicklungen Eine Anwendung der genannten Technologien liegt in der kollaborativen Visualisierung wissenschaftlicher Inhalte. Im Rahmen des COLLAVIZ (Remote Collaborative Visualizer) Projektes [COL] wurde ein Framework zur Durchführung von numerischen Simulationen von mechanischen Komponenten entwickelt. Teil des Projektes ist eine webbasierte Komponente zur Steuerung und Darstellung der Simulationsergebnisse [NKB10]. Unter Verwendung von HTML 5, Ajax und WebGL können in einer nativen Webanwendung Parameter für die Simulation eingestellt und nach der Durchführung die Ergebnisse betrachtet und Nachjustierungen vorgenommen werden. Durch diese Lösung werden Dienste des High Performance Computing HPC vom Web aus nutzbar. Durch die Nutzung von standardisierten Webtechnologien ist eine Nutzung dieser Lösung mit mobilen Geräten möglich. NIEBLING et al. stellen im dem Zusammengang fest, dass die Grafikleistung moderner Mobilgeräte ausreichend ist, um auch große Polygonanzahlen in hoher Frequenz zu rendern. Sie sehen jedoch beim Parsen der 3D-Daten nach der Übertragung vom Server zum Client einen potenziellen Flaschenhals. Beim Einlesen der Geometrie mittels JavaScript sehen sie, trotz der in letzter Zeit deutlich schneller gewordenen Java- Script-Browserengines, Optimierungsbedarf [NKB10, S. 107]. Eine weitere Arbeit im Rahmen der kollaborativen wissenschaftlichen Visualisierung nimmt sich der eben besprochenen Performanzprobleme beim Übertragen und Parsen von 3D-Inhalten an. MAGLO et al. entwickelten ebenfalls im Rahmen des angesprochenen COL- LAVIZ Projektes ein Framework zum progressiven Streaming von binären X3D Daten [MLL + 10]. Damit lässt sich ein 3D-Modell in verschiedenen Detailgraden (LOD) übertragen und nach und nach verfeinern. Der Einsatz des 3D-Streamings für webbasierte Anwendungen

46 32 verwandte arbeiten im Kontext des kollaborativen Designs wird auch durch FUH und LI [FL05, S ] anschaulich vorgestellt. Eine weitere Software zur Visualisierung wissenschaftlicher Inhalte wurde von CALLIERI et al. implementiert. Auf Basis von WebGL und der JavaScript Bibliothek SpiderGL [Ben] lassen sich durch ihre Lösung Erkenntnisse der Molekularbiologie interaktiv im Web darstellen. Die Autoren der Studie stellen unter anderem fest, dass sich mit 3D-Webtechnologien im Anwendungsfall der Darstellung von Proteinen ein ähnlich ansprechender visueller Stil im Vergleich zur vorgerenderten Videos, erzeugt durch die Software Blender [Ble], erreichen lässt [CADB + 10, S. 122]. 3.4 zusammenfassung Es wurden Arbeiten vorgestellt, die einen Beitrag im Feld der verteilten Visualisierung leisten. BECKERS et al. untersuchten die Eignung verschiedener 3D-Formate im Umfeld des kollaborativen Designs [BFS10]. Die Ergebnisse zeigen, dass es derzeit kein Format gibt, dass uneingeschränkt für unterschiedliche Anwendungsfälle zu empfehlen ist. Für die in der vorliegenden Arbeit besonders relevanten Anwendungsszenarien des Datenaustausches und des Betrachtens dreidimensionaler Produktmodelle zeigten sich die Standards STEP, sowie JT als besonders geeignet. Das weiterhin vorgeschlagene Format 3D PDF soll für diese Arbeit als Datencontainer aufgrund mangelnder Unterstützung der Interaktivität sowie der Integration in eigene Anwendungen nicht weiter betrachtet werden. In Bezug auf aktuelle Architekturkonzepte verteilter Visualisierungssysteme zeigen sich in mehreren Arbeiten die Vorteile offener serviceorientierter Ansätze [KMH10][NKB10]. WebServices erweisen sich als besonders geeignet für die Kommunikation zwischen Softwareanwendungen oder -komponenten im Problemfeld der Aufbereitung und Darstellung von Produktmodellen (vgl. [YTD06], [CLG06]). Durch den Datenaustausch per HTTP gibt es damit vor allem in Unternehmensnetzwerken keine Probleme durch Firewallbeschränkungen. In den verwandten Arbeiten mit dem Schwerpunkt der Verarbeitung und Bereitstellung mechatronischer Produktmodelle zeigte sich weiterhin mehrmals der Einsatz des Client/Server Konzeptes in der Form Storage-Server-Client. Dabei kamen auf der Serverseite in der Regel mehrere Schichten zur Abstraktion verschiedener Softwareebenen zur Anwendung (vgl. [KMH10], [SPSS08], [CCW06], [ZSG04]). MOUTON et al. beschreiben im Bereich der verteilten Visualisierung mehrere Trends, besonders in Bezug auf Hardwareplattformen und Browserentwicklungen. Sie sehen im mobilen Zugriff auf highend Visualisierungen durch den Einsatz von cloud computing und aktuelle Web-3D Technologien wie WebGL großes Potenzial. Weiterhin schlagen sie die Entwicklung eines Systems zum hybriden Client/Ser-

47 3.4 zusammenfassung 33 ver Rendering vor. Durch Kombination des Streamings gerenderter Bilder und der Übertragung des Szenengraphen würden sich lokale Ressourcen der Clients optimal nutzen lassen [MSG11, S. 107].

48

49 K O N Z E P T I O N analyse des problems Um für die Problemstellung dieser Arbeit in strukturierter Weise eine zielorientierte Lösung erarbeiten zu können, ist ein hinreichendes Verständnis für das Problem von Nöten. Dabei ist die Problematik der Produktmodellverarbeitung nicht losgelöst vom umgebenden Kontext zu betrachten. Dies bedeutet, den Sachverhalt nicht nur aus rein technischer Sicht zu betrachten, sondern betriebswirtschaftliche Prozesse und den Menschen als Teil der Lösung zu verstehen. Es stellen sich beispielsweise die Fragen, welche Interessengruppen in die Thematik involviert sind und wie deren Ziele und Anforderungen in Bezug auf eine Lösung aussehen Interessengruppen Grundsätzlich lassen sich drei Parteien erkennen, die es für die Lösungsfindung zu berücksichtigen gilt. Dies sind der Hersteller der mechatronischen Erzeugnisse, der Entwickler einer Softwarelösung zur Vermarktung dieser Produkte sowie der Endkunde im Sinne des Nutzers der Visualisierungsanwendung. Abbildung 5 beschreibt schematisch die Situation und zeigt die genannten Interessengruppen. Die Pfeile weisen auf den Pfad der Produktdaten im Prozess der Entwicklung einer 3D-Vertriebsanwendung hin. Der Hersteller hält ein digitales Produktmodell vor, dessen Informationen am Ende dem Kunden in verständlicher Form zugänglich gemacht werden sollen. In der Regel wird das herstellende Unternehmen jedoch auf die Expertise eines Spezialisten für die Entwicklung von Anwendungen zu Vertriebszwecken angewiesen sein. Der Rolle des Entwicklers kommen dabei im Wesentlichen die Aufgaben der Aufbereitung der produktbeschreibenden Daten sowie die Erstellung der Softwareanwendung zur Präsentation dieser Daten zu. In den vorangegangenen Kapitel ist bereits die Situation beim Hersteller näher beschrieben worden. Der Abschnitt 2.1 verdeutlicht mit dem Lebenszyklus von Produkten bereits wesentliche Prozesse in den betreffenden Unternehmen. Darüber hinaus wurden die Inhalte der verwalteten Produktinformationen vorgestellt. Im Folgenden liegt der Fokus daher auf den Interessengruppen Entwickler und Endkunde. Es wird zu klären sein, welche Anforderungen die beteiligten Gruppen in diesem Kontext an eine Lösung stellen. HERSTELLER Produktmodell ENTWICKLER Datenaufbereitung Anwendungslogik ENDKUNDE 3D-Anwendung Abbildung 5: Die Interessengruppen 35

50 36 konzeption Wichtig ist in diesem Zusammenhang, dass sowohl Anforderungen an den Prozess der Datenverarbeitung und der Anwendungsentwicklung bestehen, als auch an die resultierende Anwendung selbst. Zum Teil sind die Anforderungen an die Lösung jedoch nicht direkt auf Ansprüche der Interessengruppen zurückzuführen, sondern auch abhängig von bestimmten Rahmenbedingungen. Diese sollen zunächst identifiziert werden Rahmenbedingungen Fähigkeiten Hardware Software Die folgenden Rahmenbedingungen beziehen sich auf die resultierende 3D-Anwendung und können als Voraussetzungen seitens der Nutzer zur Ausführung dieser Applikation verstanden werden. Die Voraussetzungen zur Bedienung der Anwendung lassen sich als nicht-technische Rahmenbedingungen beschreiben. Sie beziehen sich in erster Linie auf die Fähigkeiten der Benutzer. Im Kontext von 3D-Vertriebsanwendungen kann man nicht davon ausgehen, dass die Nutzer über weitreichende Kenntnisse im Umgang mit komplexen 3D-Softwarewerkzeugen verfügen, wie sie üblicherweise bei der Konstruktion von Maschinen genutzt werden. In der Regel verfügen die Endkunden jedoch über Kenntnisse im Umgang mit Webanwendungen. Darüber hinaus hat der Kunde eine bestimmte Sicht auf ein Produkt. Diese deckt sich nicht zwingend mir der Sicht, die der Hersteller auf sein Produkt hat. Man kann in dem Zusammenhang auch von verschiedenen mentalen Modellen eines Produktes sprechen. Als Voraussetzungen zur Ausführung der Anwendung sind technische Rahmenbedingungen zu betrachten. Diese betreffen sowohl die Hard-, als auch die Software der genutzten Geräte. Da die Zielgruppe der 3D-Anwendung die potentiellen Käufer der mechatronischen Produkte sind und nicht etwa Vertriebsmitarbeiter des herstellenden Unternehmens, ist mit einer heterogenen Rechnerlandschaft auf Seiten der Nutzer zu rechnen. Es ist nicht der Fall, dass sich Unternehmensrichtlinien definieren lassen, welche die verwendete Hardund Software zur Ausführung der Anwendung vorschreiben. Somit kann von unterschiedlichen Rechnertypen wie Desktop-PCs oder mobilen Geräten, etwa Notebooks, ausgegangen werden. Dies bedingt beispielsweise variierende Leistungsmerkmale und unterschiedliche Eingabemöglichkeiten der Geräte. Ähnliches gilt in Bezug auf die verwendete Software. Dies betrifft vor allem das Betriebssystem im Hinblick auf native Anwendungen, sowie den verwendeten Browser hinsichtlich Webanwendungen. Jeweils sind verschiedene Ausstattungen zu berücksichtigen.

51 4.1 analyse des problems 37 3d-anwendung datenaufbereitung Webtauglichkeit Skalierbarkeit Darstellungsrealismus Assoziationswahrung Aktualität Schnittstellenneutralität Unverfälschtheit Tabelle 4: Anforderungen an die 3D-Anwendung und den Prozess der Produktdatenaufbereitung Anforderungen Die angesprochenen Rahmenbedingungen führen zu Anforderungen, die zum einen die 3D-Applikation betreffen und zum anderen den Prozess der Datenaufbereitung zur Nutzung von Produktmodellen für diese Anwendung. Dabei beeinflussen Anforderungen an die 3D- Anwendung häufig auch die vorangehende Datenverarbeitung. webtauglichkeit Die Anforderung der Webtauglichkeit bezieht sich primär auf die 3D-Anwendung. Um einen möglichst großen Kundenkreis zu erreichen, ist es unabdingbar, dass eine Webanwendung in allen gängigen Browsern ausführbar ist. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn dazu keine Installation eines Browser-Plugins vorausgesetzt wird. Im Kontext von Webanwendungen muss beim Nutzer mit unterschiedlichen, teils geringen, Bandbreiten gerechnet werden. Dieses Problem wird durch die mitunter komplexen Produkte mit hohen Datenvolumen verschärft, die es zu übertragen und darzustellen gilt. Aus dieser Situation ergibt sich die Anforderung, Teile von Produktmodellen auf Anfrage nachladen zu können. Die Ladezeiten wären nicht vertretbar, sollten Produktreihen vor dem Starten der Anwendung erst vollständig geladen werden müssen. Nach Möglichkeit sind nur jene Daten zu übertragen, die für den Nutzer zum entsprechenden Zeitpunkt von Interesse sind. Für die Datenverarbeitung bedeutet die Anforderung der Webtauglichkeit somit die Bereitstellung der Produktdaten in nicht-monolithischen, im Web üblichen, Formaten. darstellungsrealismus Der Darstellungsrealismus als Anforderung an die 3D-Anwendung bezieht sich auf die optische Qualität in der Abbildung von Oberflächen. Für die Darstellung mechatronischer Produkte ist deren visuelle Anmutung in der Regel von großer Bedeutung. Generell soll die Hochwertigkeit dieser Produkte vermittelt werden. Bei vielen Darstellungen ist daher Fotorealismus angestrebt.

52 38 konzeption aktualität Für eine Vertriebsanwendung ist die Aktualität der Daten von hoher Bedeutung. Unwahrscheinlich ist eine Änderung der grundlegenden produktdefinierenden Daten, wie die Form oder physikalische Eigenschaften. Für kommerzielle Informationen, zum Beispiel Preise und Rabatte, gilt dies jedoch nicht. Dazu kommen Marketingkampagnen, wie die Bündelung verschiedener Ausprägungen des Produktes zu einem Paket, die im Nachgang der Produktveröffentlichung denkbar sind. Demnach sind Schnittstellen der Vertriebsanwendung zu Informationssystemen nötig. unverfälschtheit Bei der Aufbereitung der Produktdaten für 3D-Anwendungen ist eine Reduktion und Filterung aufgrund der Datenmenge und Quellformate unerlässlich. Dabei ist aber ein optimaler Kompromiss zwischen Kompaktheit und Genauigkeit der produktbeschreibenden Daten anzustreben. Dies könnte unter anderem die Produktform bei der Reduzierung der Geometriekomplexität betreffen. Beispielsweise ist das Karosseriedesign in der Automobilindustrie ein entscheidender Verkaufsfaktor. Es darf in der 3D-Darstellung nicht zu einer sichtbaren Abweichung vom Original kommen. skalierbarkeit Mit Bezug auf den Verarbeitungsprozess der Produktdaten meint die Skalierbarkeit die Fähigkeit, mit potentiell vielen komplexen und variantenreichen Produkten umgehen zu können. Damit stellt sie eine Anforderungen des Entwicklers an den Verarbeitungsprozess und nicht an die Anwendung selbst dar. Ein Konzept zur Produktdatenaufbereitung sollte im Hinblick auf die zu verarbeitende Datenmenge genauso in kleinen wie großen Projekten anwendbar sein. assoziationswahrung Wichtig bei der Verarbeitung der Produktdaten ist es, die Verbindung der Daten untereinander zu wahren. Damit ist vor allem gemeint, die Verknüpfung von Geometrie mit Zusatzinformationen während Konvertierungs- und Filterungsprozessen nicht zu verlieren. Dazu gehören zum Beispiel die Hierarchie und relative Positionierung von Baugruppen und Bauteilen oder die Zugehörigkeit physikalischer Eigenschaften zu bestimmten Baugruppen. schnittstellenneutralität Eine Softwarelösung zur (teilautomatisierten) Aufbereitung von Produktmodellen sollte neutrale Schnittstellen nach außen zur Verfügung stellen. Dies bezieht sich zum einen auf eine möglichst breite Unterstützung der von Herstellern genutzten Softwaresysteme zur Bereitstellung der Quelldaten. Zum anderen gilt dies auch für die Schnittstellen, mit denen die aufbereiteten Produktdaten für 3D-Anwendungen zur Verfügung gestellt werden.

53 4.1 analyse des problems 39 Vorbedingung Quellformat Aufbereitung geometrische Informationen nicht-geometrische Informationen Nachbedingung Zielformat Abbildung 6: Produktmodellaufbereitung mechatronischer Produkte Vor- und Nachbedingungen der Produktmodellaufbereitung Die Schritte der Aufbereitung von Produktdaten hängen neben den bereits angesprochenen Anforderungen wesentlich von den genutzten Technologien und Formaten ab. Damit sind auf der einen Seite die Software und Datenformate zur Erzeugung von Produktmodellen gemeint und auf der anderen Seite jene Technologien, die nach einer Datenaufbereitung zur Darstellung der Produkte, zum Beispiel im Web, zum Einsatz kommen. Allgemein kann der Zustand der Produktmodelle vor der Verarbeitung als Vorbedingung bezeichnet werden und jener danach als Nachbedingung. Dieser Umstand, der im Folgenden noch genauer zu untersuchen sein wird, ist in Abbildung 6 dargestellt. Darüber hinaus lässt sich eine Unterteilung der Datenverarbeitung in die Aufbereitung von geometrischen Daten und die Aufbereitung von nichtgeometrischen Daten treffen. vorbedingungen Die Situation vor der Verarbeitung der produktbeschreibenden Daten ist charakterisiert durch die Software und Formate, mit denen Produkte innerhalb von Unternehmen entwickelt und verwaltet werden. Elementare Werkzeuge der Produktentwicklung stellen Softwarelösungen für das CAD dar. Abbildung 7 zeigt exemplarisch die Applikation SolidWorks mit dem Konstruktionsmodell eines Kompressors. Die in solchen Systemen entstehende Geometrie stellt die Grundlage für weitere Prozesse der Produktentwicklung dar. Darunter fallen etwa physikalische Berechnungen im Rahmen der Festkörpersimulation oder Fertigungsprozesse im Sinne des CAM.

54 40 konzeption Abbildung 7: CAD Software: SolidWorks 2010 Premium Die Geometrie liegt üblicherweise in Form von Volumen- und Flächenmodellen vor. Dabei handelt es sich um mathematische Beschreibungen der Formen. Diese haben die Eigenschaft auch kurvige Formen sehr exakt zu beschreiben und nicht etwa nur eine Annäherung darzustellen. Volumenmodelle, auch als konstruktive Festkörpergeometrie bezeichnet (vgl. Unterabschnitt 2.2.3), werden aus einfachen Objekten durch Kombinationen der Objekte miteinander erzeugt. Die Verknüpfung dieser Primitiven erfolgt mit Hilfe von booleschen Operationen, wie in Abbildung 8 dargestellt. Auf diese Weise können durch Kombination von Objekten durch Vereinigung, Bildung der Differenz oder des Schnittes, komplexe Objekte hervorgebracht werden. Weiterhin können Teile von Volumenmodellen mit Parametern versehen und somit nachträglich leicht verändert werden. Beispiele dafür sind Durchmesser, Materialstärken oder Radien. Volumenmodelle besitzen die Eigenschaft, wie der Name bereits andeutet, einen geschlossenen Körper zu bilden. Sie unterscheiden somit zwischen einem inneren und einem äußeren Bereich des Modells. Eine weitere verbreitete Repräsentationsform von Geometrie im CAD-Bereich sind Freiformflächen. Ähnlich wie Volumenmodelle eignen sie sich für Anwendungsfälle, bei denen es auf Präzision ankommt. Diesen Formen liegen mathematische Beschreibungen in Form von polynomialen Funktionen zugrunde. Auf diese Weise können organische Kurven mittels weniger Kontrollpunkte definiert und schnell verändert werden. Verbreitete Arten von Freiformen in der Ebene

55 4.1 analyse des problems 41 Vereinigung = Differenz = Schnitt = Parameter + 10 mm = Abbildung 8: Volumenmodelle und Parametrisierung sind Bézier- und B-Spline-Kurven. Mittels NURBS werden diese Prinzipien auf den Raum übertragen (siehe Abbildung 9). Auf Grund der komplexen Formen ist diese Methode prädestiniert für Anwendungen wie das Design von Karosserieteilen in der Automobilbranche. nachbedingungen Die Situation nach der Verarbeitung der Daten ist geprägt durch die verwendeten Technologien zur Darstellung der Produktmodelle. Davon hängt ab, in welcher Form die Daten an diesem Punkt vorliegen müssen. Der Fokus liegt letztlich darin, dem Kunden das Produkt mit seiner Geometrie und weiteren nichtgeometrischen Informationen zu präsentieren und eine Konfiguration komplexer Produkte zu ermöglichen. Da eine Veränderung der Produktinformationen in dieser Phase nicht mehr stattfindet, werden Lösungen aus dem Bereich der virtuellen Realität oder 3D-Web Technologien eingesetzt. Dies bedingt eine spezielle Repräsentationsform der Geometrie. Entgegen den Werkzeugen des CAD, bei denen mit mathematischen Beschreibungen der Formen gearbeitet wird, sind hier polygonale Geometrien gefordert. Ein Polygon (Vieleck) ist dabei Teil der Hülle eines Objektes und setzt sich aus Punkten und Kanten zusammen. Übliche Polygone sind Dreiecke (engl. triangles) und Vierecke (engl. quadrilateral). Ein Polygonnetz (engl. mesh) setzt sich wiederum aus mehreren Polygonen zusammen und beschreibt auf diese Weise die Oberfläche eines geometrischen Objektes. Abbildung 10 zeigt das Verhältnis von Punkten, Kanten, Polygonen und Polygonnetzen.

56 42 konzeption Abbildung 9: Freiformflächen am Beispiel NURBS Punkte Kanten Polygone Polygonnetz (vertex) (edge) (face) (mesh) Abbildung 10: Zusammensetzung von Polygonnetzen

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