3D-Master als Basis für die digitale Transformation im Engineering

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1 3D-Master als Basis für die digitale Transformation im Engineering Whitepaper 09/2017 Rund zwanzig Jahre sind vergangen seit der Einführung des parametrischen 3D-CAD. Längst stellen alle CAD-Systeme umfangreiche Funktionen für eine zeichnungslose Produktdokumentation auf Basis des so genannten 3D-Master bereit. Trotzdem ist in vielen Unternehmen die abgeleitete 2D-Zeichnung bis heute das zentrale Informationsmedium für alle Folgeprozesse und Grundlage für Freigaben und Langzeitarchivierung. Durch wachsende Differenzierung und Individualisierung von Produkten, weltweite Wertschöpfungsketten mit unterschiedlichen Fertigungsparametern und Sprachräumen, sowie durch zunehmende mechatronische Produktfunktionen steigen auch Anzahl und Komplexität technischer Zeichnungen. Schon heute nimmt sich auf immer mehr 2D-Zeichnungen die eigentliche Produktgeometrie beinahe als Randerscheinung gegenüber raumgreifenden Tabellen und Wiederholtexten aus. Die Erstellung, Freigabe und Verwaltung solcher Zeichnungen mag durch CAx- und PLM-Hilfsmittel beherrschbar sein, ihre Prüfung, Interpretation und Weiterverwendung in den Folgeprozessen ist es schon heute nicht mehr. Michael Kirsch, Simon Christmann, Dr. Sven Kleiner Darmstadt, Germany Seite 1 von 7

2 Grenzen der technischen 2D-Zeichnung You can have it in any color as long as it's black. Mit diesem Satz soll Henry Ford 1908 die optimierte Produktion seines Model T kommentiert haben: eine einzige Lackierstraße, auf der nur noch der schnell trocknende Lack Japan Black verarbeitet wurde. Heute könnten Kunden ein Fahrzeug in ihrer Wunschfarbe leicht bei einem anderen Hersteller kaufen, und Ford würde vermutlich auf seinem kostenoptimierten Einheitsprodukt sitzen bleiben: auf umkämpften Märkten treibt der Kundenwunsch nach Individualisierung die Anzahl von Produktvarianten nach oben. Neben vielfältigen Varianten des physischen Produkts steigt der Umfang mechatronischer Komponenten und Software, die in Relation zueinander dokumentiert werden müssen. Zudem führen weltweit verteilte Wertschöpfungsketten dazu, dass identische Produkte an unterschiedlichen Standorten mit verschiedenen Maschinen, Fertigungsparametern und Taktzeiten hergestellt werden. 3D-Master: Strukturierte Produktinformation für Mensch und Software Der 3D-Master-Ansatz ist dadurch gekennzeichnet, dass das 3D-Modell die 2D-Zeichnung als das primäre Informationsmedium im Produktentstehungsprozess ablöst. Dabei werden Bemaßungen und Fertigungsinformationen wie z. B. Form- und Lagetoleranzen nicht mehr in 2D-Ansichten auf separaten Zeichnungsblättern, sondern direkt am 3D- Modell eingebracht. Für die Folgeprozesse stehen diese Informationen damit nicht nur im nativen CAD- Quellformat, sondern auch in abgeleiteten Neutralformaten wie z. B. JT und 3D-PDF zur Verfügung. Mit Hilfe frei verfügbarer Viewer-Software erhalten damit zahlreiche weitere Akteure im Produktentstehungsprozess unmittelbaren Zugang zu 3D-Geometrie und Zusatzinformationen, die bisher nur der Konstruktion vorbehalten waren. Aus der Perspektive der digitalen Transformation im Abbildung 1 Maschinenlesbare Produktinformationen im 3D- Master Der wachsende Vielfalt solcher Produkt- und Produktionsvarianten führt die technische 2D- Zeichnung in ein Dilemma: Die Darstellung jeder Produkt-, Produktions- und Sprachvariante auf einer separaten Zeichnungen führt zu einer nicht mehr beherrschbaren Anzahl von Fertigteil-, Fertigungsstufen-, Betriebsmittel- und Montagezeichnungen. Eine Zusammenfassung vieler Varianten auf derselben Zeichnung (z. B. Tabellenzeichnung, mehrsprachige Zeichnung) führt dagegen schnell zu überladenen und unverständlichen Zeichnungen. Engineering tritt hierbei Software als neuer Akteur in Erscheinung. Für sie ist ein Wesensmerkmal des 3D- Master ganz entscheidend: die Maschinenlesbarkeit. Während mancher menschliche Datennutzer 3D-Master mit einem ganz nett quittiert, erschließt sich durch die Maschinenlesbarkeit des 3D-Master für Software überhaupt erst ein strukturierter Zugriff auf wesentliche produktbezogene Informationen, die in der 2D- Zeichnung so niemals zugänglich waren: aus dem 3D- Master kann Software Maßbezugsflächen für die Qualitätssicherung ableiten. Software kann die Zeichnungsmaße auf geometrische Über- oder Unterbestimmtheit prüfen. Software kann unmittelbaren Seite 2 von 7

3 Abbildung 2 Der Anteil nicht-geometrischer Informationen steigt Zugang zu den referenzierten Werknormen schaffen. Software kann die definierten Maßtoleranzen mit geltenden Werknormen abgleichen. Software kann automatisch Wiederholtexte in passender Sprache einblenden. Und schließlich kann 3D-Master in Verbindung mit Software auch das genannte Dilemma zwischen zu vielen oder zu komplexen Zeichnungen auflösen, indem Inhalte nach Variantengültigkeit und Verwendungszweck auf Knopfdruck gefiltert oder zusammengestellt werden. Zeitaufwändige und fehleranfällige Folgeprozesse wie z. B. die Zeichnungsprüfung sowie die Erstellung und Durchführung von Mess- und Prüfplänen können und müssen mit 3D-Master ganz neu gedacht werden. Vorüberlegungen zur Einführung von 3D- Master Die Einführung von 3D-Master und mit ihr die Ablösung der technischen 2D-Zeichnung bedeutet letztlich, dass die Informationsbedürfnisse aller Folgeprozesse neu bedient werden müssen, die sich heute auf Informationen aus der technischen 2D- Zeichnung stützen. Sie umfasst auch die Beschaffung und Einführung neuer CAD-Funktionalität zur Erstellung von Ansichten, Bemaßungen und Annotationen am 3D-CAD-Modell. Vor allem aber betrifft sie zahlreiche geschriebene und ungeschriebene Vereinbarungen zwischen Erstellern und Verwendern der technischen Zeichnung. Aufgrund dieser Tragweite sind einige Vorüberlegungen dringend geboten: 1. Informationen, für die es keinen Abnehmer gibt, sollten besser gar nicht erst erstellt werden. Deshalb muss der Einführung von 3D- Master unbedingt eine kritische Prüfung aller vermeintlich notwendigen Zeichnungsinhalte vorausgehen. Beispielsweise braucht nicht jede Bemaßung aus der 2D-Zeichnung in den 3D- Master überführt werden, weil die meisten Viewer umfassende Schnitt- und Messfunktionen bieten. 2. In vielen Unternehmen haben sich über Jahrzehnte auf der technischen 2D-Zeichnung neben den Geometrieansichten vielfältige nichtgeometrische Informationen angesammelt. Neben den Informationen im Zeichnungskopf zählen dazu Stücklistentabellen, Änderungstabellen, Allgemeintoleranzen, Seite 3 von 7

4 Normbezüge, Schweißpunkttabellen, Anforderungslisten und vieles mehr. Muss zur Erstellung solcher tabellarischen oder textuellen Informationen wirklich ein CAD-Arbeitsplatz belegt werden? Müssen diese Informationen zwingend von der Konstruktion erstellt werden? Mit einem PDM-integrierten 3D- Master-Ansatz ist eine verteilte Datenerstellung auch außerhalb des CAD-Systems möglich. 3. Ein 2D-Zeichnungsdokument bietet dem Betrachter logische und visuelle Struktur durch Gliederung in Zeichnungsblätter und die sinnvolle Anordnung von Zeichnungsansichten auf dem Zeichnungsblatt. Ein 3D-Master- Dokument mit seinen flachen Listen von Modellansichten und Attributen bietet diese Struktur nicht. Bei vergleichbarem Informationsgehalt erscheint daher ein statisches 3D-Master-Dokument weniger übersichtlich und verständlich als eine 2D- Zeichnung. Hier sind neue Methoden zur Benutzerführung gefragt wie z. B. eine standardisierte Benennung und Sortierung von Modellansichten, alternativ die automatisiere Filterung oder Zusammenstellung von Informationen. 4. Die technische 2D-Zeichnung wird für den Menschen gemacht, und dessen visuelle Wahrnehmung kann ein Schweißsymbol unabhängig davon richtig interpretieren, ob es aus der Bibliothek des richtigen OEM eingefügt wurde und ob es als Vektor- oder Liniengrafik vorliegt. Die Maschinenlesbarkeit des 3D- Master setzt dagegen voraus, dass das Schweißsymbol in genau der Form erstellt wird, in der es die Datennutzer erwarten. Verbindliche Vereinbarungen hierüber sind deshalb ebenso zwingend erforderlich wie deren fortlaufende Überprüfung. JT-Anwendungsfälle: Digitalisierung auf bewährtem Pfad Die skizzierten Vorüberlegungen zur Einführung von 3D-Master laufen auf einen einzigen Kernpunkt hinaus: 3D-Master darf nicht aus der Sicht der Datenersteller gedacht werden, sondern muss zuerst auf die Informationsbedarfe der Datennutzer ausgerichtet sein. Bei der Einführung von 3D-Master sollten Angebot und Nachfrage produktbezogener Informationen als ein Marktplatz betrachtet werden, auf dem möglicherweise einige Informationsbedarfe unerfüllt bleiben und einige Angebote sich als unverkäuflich herausstellen. Um sicherzustellen, dass hierbei keine wesentlichen Folgeprozesse unberücksichtigt bleiben, wird eine Betrachtung dieses Marktplatzes auf Basis der JT- Anwendungsfälle des JT-Workflow-Forums im ProSTEP ivip e.v. empfohlen. Sie bieten eine bewährte und generische Grundlage zur Identifikation aller relevanten Abnehmer der technischen 2D-Zeichnung und ihrer Informationsbedarfe. 3D-Master als Lieferant und Kunde der Digitalisierung Für die digitale Transformation im Engineering ist 3D- Master einerseits Lieferant strukturierter, maschinenlesbarer Produktinformationen: Automatisch abgeleitete Mess- und Prüfpläne, die der Qualitätssicherung auf Tablet-PCs bereitgestellt werden und Prüfergebnisse direkt am digitalen Zwilling speichern, sie basieren stets auf Ergebnissen des 3D- Master-Ansatzes. Als strukturiertes Informationsmedium ist 3D-Master andererseits aber auch Kunde der Digitalisierung: Revisionen, Varianten und Konfigurationen von Produkten, mehrsprachige Wiederholtexte, Tabellen und Kennlinien können im 3D-Master nur dann dargestellt werden, wenn diese Inhalte zuvor in strukturierter Form bereitgestellt wurden. Gleiches gilt für fachspezifische, Abbildung 3 JT-Anwendungsfälle des ProSTEP ivip JT-Workflow- Forums Seite 4 von 7

5 strukturierte Informationen aus Zusatzmodulen des CAD-Systems wie z. B. Blechkonstruktion (Sheetmetal), Formenbau (Core & Cavity), Fügeverbindungen sowie elektrische (Electrical Harness), hydraulische und pneumatische Leitungssätze (Tubing) und Aggregate. Auch benutzerdefinierte Konstruktionselemente aus dem Knowledge-based Engineering liefern strukturierte Information wie z. B. Schraubdome, Flansche, Kühlrippen und Bohrungen. Auch diese Informationen können in den 3D-Master übertragen und dort ausgewertet werden: Welche Werksnormen werden häufig verwendet, welche selten? Welche Konstruktionselemente verletzen die Norm und warum? Alle diese nicht-geometrischen, fachspezifischen Inhalte sind freilich nicht erster Bestandteil einer Einführung der VDA Arbeitskreis PLM im Jahr 2016 in der VDA- Empfehlung Zeichnungslose Produktdokumentation [VDA2015] ein Containerformat für zeichnungslose Prozesse (kurz: ZLP-C) spezifiziert. Beide Konzepte basieren auf einem PDF-Dokument als Container, in den neben 3D- Neutralformaten auch maschinenlesbare Zusatzdokumente eingebettet werden. Durch die Zusammenstellung von Dokumenten als Container entstehen definierte Dokumentationsstände als Grundlage für Datenaustausch, Freigabe und Langzeitarchivierung. Darüber hinaus wird das PDF- Dokument analog zur 2D-Zeichnung für die menschenlesbare Darstellung der eingebetteten Zusatzdokumente verwendet. Beispielsweise können aus Zusatzdokumenten im XML-Format STEP AP242 Abbildung 4 Gegenüberstellung von Technischer 2D-Zeichnung, 3D- Master und TDP von 3D-Master. Wenn sie aber heute Bestandteil der technischen 2D-Zeichnung und damit der verbindlichen Produktdokumentation sind, muss vor der Ablösung der 2D-Zeichnung ein Lösungskonzept auch für diese Informationen erarbeitet werden. Model-Based Definition mit TDP und ZLP-C 3D-Neutralformate als Grundlage von 3D-Master transportieren heute Produktgeometrie, Bemaßungen, Fertigungsinformationen (PMI), 2D-Ansichten auf die 3D-Geometrie, Baugruppenstrukturen sowie bauteilbezogene Attribute. Für die genannten nichtgeometrischen Zeichnungsinhalte bieten sie jedoch weder geeignete Formen der Ablage noch der Darstellung. Getrieben vor allem von Dokumentationspflichten in der Rüstungsindustrie, hat sich in den USA das National Institute of Standardisation and Technology dieser obdachlosen nicht-geometrischen Zeichnungsinformationen angenommen und mit dem NIST-Standard MIL-STD Technical Data Package (kurz: TDP) im Jahr 2009 ein Lösungskonzept vorgelegt [NIST2009]. Für die Automobilindustrie hat Zeichnungskopf, Stücklistentabelle und eine Liste der Änderungsstände erzeugt werden. Die tabellarische Gegenüberstellung zeigt, dass erst mit Konzepten wie dem TDP oder ZLP-C alle Aspekte der technischen 2D-Zeichnung abgebildet werden können. Darüber hinaus entsteht erst durch strukturierte Zusatzinformationen in Formaten wie z. B. STEP AP242, PLMXML, ReqIF, FMI, I++, VEC und xmcf eine maschinenlesbare Datenbasis als Basis der digitalen Transformation im Engineering. Um eine eine unternehmensübergreifende oder sogar branchenweite Zusammenarbeit auf Basis strukturierter Informationen zu gewährleisten, zielen aktuelle Initiativen auf eine Konsolidierung von XML-Formaten für bestimmte Inhalte ab [Hand2017]. So wie heute verschiedene Arten von technischen 2D- Zeichnungen für verschiedene Verwendungszwecke manuell erstellt werden, ist nun eine Verwendungszweck-bezogene Filterung und Zusammenstellung verschiedener TDP-Dokumente Seite 5 von 7

6 oder -Ansichten möglich. Da TDPs auf Basis maschinenlesbarer Informationen entstehen, kann dies automatisiert auf Basis einer sogenannten Model-Based Definition erfolgen. Hierbei wird die Gesamtheit aller Zeichnungsinformationen strukturiert im PDM-System vorgehalten, und aus ihr werden Verwendungszweckbezogene Sichten abgeleitet. Zusammenfassung Bei aller Begeisterung über die Entmaterialisierung der Produkte durch Software und Systeme darf nicht vergessen werden, dass das physische Produkt in der Regel immer noch das Rückgrat der Produktfunktion darstellt. Ein Wälzlager mit verschlissenen Laufbahnen wird durch einen elektronischen Drehgeber nicht geheilt. Deshalb kann die digitale Transformation im Engineering nur gelingen, wenn der mechanischen Konstruktion angemessene Bedeutung eingeräumt wird. Literaturverzeichnis [VDA2015] VDA Zeichnungslose Produktdokumentation, zeichnun-produktdokumentation.html [NIST2009] NIST MIL-STD Technical Data Packages (TDP) [Hand2017] Dr. Sebastian Handschuh, Daimler AG (IT/DI): Engineering-IT-Standards als Motor für die digitale Transformation bei Daimler, Vortrag im Rahmen des Daimler EDM CAE Forum 2017 Abbildung 5 Verwendungszweck-bezogene Zusammenstellung von Produktinformation Mit 3D-Master und Model-Based Definition können die Auswirkungen zunehmender Produktkomplexität und Variantenvielfalt im arbeitsteiligen und globalen Produktentstehungsprozess erfolgreich beherrscht werden. Darüber hinaus bilden sie durch maschinenlesbare Repräsentation und menschenlesbare Präsentation strukturierter Produktinformation eine wertvolle Quelle für und Brücke zur digitalen Transformation. Seite 6 von 7

7 Kontakt: :em engineering methods AG Rheinstraße Darmstadt Telefon +49 (0) Telefax +49 (0) mail: info@em.ag Sitz und Registergericht Darmstadt, HRB 8644 USt.-IdNr: DE StNr: Vorsitzender des Aufsichtsrates: Benno Rösch, Betriebswirt (VWA) Vorstand: Dr. Erik Claassen Christian Donges Dr. Sven Kleiner Dr. Marcus Krastel (Vors.) Warenzeichen: Alle im Newsletter genannten Produkte, Namen oder Firmennamen sind Warenzeichen bzw. eingetragene Warenzeichen der jeweiligen Eigentümer/ Hersteller. Aus dem Fehlen der Markierung kann nicht geschlossen werden, dass eine Bezeichnung ein freier Warenname ist. Rechtliche Hinweise: Die :em engineering methods AG übernimmt keinerlei Gewähr für die Aktualität, Korrektheit, Vollständigkeit oder Qualität der bereitgestellten Informationen. Der Newsletter und alle in ihm enthaltenen Beiträge sind urheberrechtlich geschützt. Eine auszugsweise Verwendung durch Entnahme von Informationen aus dem Whitepaper ist untersagt. Der Whitepaper darf weiteren Interessenten zur Verfügung gestellt werden. Das Whitepaper und alle in ihm veröffentlichten Beiträge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschützt. Nachdrucke, Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen, Kopien, sowie Speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen, auch auszugsweise, bedürfen der ausdrücklichen schriftlichen Genehmigung der :em engineering methods AG. Erfüllungsort und Gerichtsstand ist Darmstadt. Seite 7 von 7