Visualisierung und Konvertierung in der Engineering- Kollaboration

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1 Visualisierung und Konvertierung in der Engineering- Kollaboration 1. Ausgangssituation Die Notwendigkeit der CAD-Konvertierung ist beinahe so alt wie die CAD-Systeme selbst. Auch wenn die Konvertierungstechnologie als ausgereift und robust gilt, besteht der permanente Bedarf zur Weiterentwicklung, getrieben durch die geschäftskritischen Prozesse wie DMU als zentralen Absicherungsprozess. Andererseits haben die CAD-Modelle längst die Komplexitätsschwelle überschritten, wo sie noch als einfach handhabbar galten. Mittlerweile haben sich verschiedene 3D-Visualisierungsformate auf breiter Front durchgesetzt, die einen hohen Informationsgehalt mit einer einfachen Bedienung und guter Performance vereinen. Darüber hinaus können damit auch mehrere Prozessketten der DMU Absicherung unterstützt werden. Durch die rasche Verbreitung der Visualisierungsformate wurde die nicht ganz neue Diskussion erneut entfacht, inwieweit ein einheitliches Format die Belange der Engineering-Kollaboration (intern und extern) abdecken kann. 2. Problemstellung 3D-Visualisierung von Produktdaten gilt mittlerweile als selbstverständlich, begründet durch den durchgängigen Einsatz von 3D-CAD-Systemen in der Produktkonstruktion sowie ein attraktives Preis-/Leistungsverhältnis und breites Anwendungsspektrum der erforderlichen Visualisierungsapplikationen. Anwendungsgebiete liegen in den der Konstruktion nachgelagerten Bereichen (Simulation, Absicherung, Fertigungsvorbereitung, Vertrieb, Marketing und Kundendienst). Einer der herausragenden Anwendungsfälle ist die Unterstützung der Zusammenarbeit in der Produktentwicklung (Kollaboration). So wurde die unternehmensübergreifende Kooperation durch den Einsatz von 3D- Visualisierungsdaten zum Gegenstand einer VDA-Empfehlung [VDA07] und internationaler Initiativen [SAS05]. Infolgedessen penetriert die 3D-Visualisierung immer mehr Anwendungsgebiete, die bis dahin den CAD-Systemen und deren nativen bzw. neutralen Formaten (STEP, IGES, VDAFS) vorbehalten waren. CAD als Anwendung wird dadurch auf reines Autorenwerkzeug reduziert. Ferner werden durch die neuesten Entwicklungen auf Basis sog. intelligenter Dokumente Anwendungsgebiete für die 3D-Visualisierung erschlossen und die entsprechende Software entwickelt, die auf Grund bescheidener Ansprüche an die Hard- und Software durchaus an jedem Arbeitsplatz angewendet werden können. So gesehen wird die Vision "3D für alle" zur Realität bei durchaus vertretbaren Kosten. Das Spannungsfeld der 3D-Nutzung und der passenden 3D-Formate ist in der Abb. 1 schematisch dargestellt. Eine zusätzliche Komplexitätsstufe entsteht bei einer unternehmensübergreifenden Anwendung wie sie in der Automobil- oder Luftfahrtindustrie vorliegt. Da sich die Anwendungsgebiete einzelner Formate durchaus überschneiden und die einzelnen Marktteilnehmer ohnehin hegemonistische Ziele verfolgen, drängt sich die Frage auf, ob durch eine Prozessharmonisierung und Normung die Vielfalt an Formaten und Anwendungen zum Vorteil der Endanwender eingedämmt werden könnte. Vielmehr wäre es sehr erstrebenswert, das Aufgabenfeld Engineering-Kollaboration, durch ein Format

2 weitest gehend abzudecken, ohne die Software- Applikationen dafür vorzuschreiben. Abbildung 1: Spannungsfeld der 3D-Nutzung und der passenden 3D-Formate 3. Vorgehensweise Zur Erreichung ambitionierter Ziele wurde von der deutschen Industrie eine pragmatische Vorgehensweise gewählt, die sich z.b. bei der Entwicklung und Implementierung der STEP-Norm (ISO ) bereits bewährt hatte [PSi03]. Einerseits wurde beim ProSTEP ivip e.v. eine Arbeitsgruppe [PSi09] eingesetzt, die sich die Definition und Implementierung von Referenzprozessen zum Ziel gesetzt hat. Dazu werden die verschiedenen IST-Prozesse aufgenommen und analysiert, um entsprechende Referenzprozesse zur Harmonisierung des Austauschs von Visualisierungsdaten unabhängig von verwendeten CAD-Systemen auszuarbeiten. Derzeit stehen folgende Szenarien im Vordergrund: Design in Context Zuliefererintegration Konstruktionsprüfung und -freigabe Fertigungsvorbereitung Alleine diese Auflistung zeigt auf, dass die Bedürfnisse der beteiligten Industrie weit über die übliche 3D-Visualisierung von Produktdaten hinaus gehen. Im schematischen Prozessschaubild eines typischen Automobilherstellers sind die Prozesse mit Ziffern (Abb. 2) markiert, die sich potenziell mit einem universellen 3D-Format abdecken lassen, das die Anforderungen der typischen CAD- Konvertierung sowie der CAD-Visualisierung gleichermaßen erfüllt. Daher wurde die PROSTEP AG beauftragt, die marktfähigen Software-Produkte der interessierten Vendoren auf ihre Praxistauglichkeit zu prüfen und. ggf. Verbesserungsvorschläge zu erarbeiten. Einen besonderen Stellenwert erhielt von vornherein das Datenformat JT (Jupiter Tesselation) der Firma Siemens PLM Software, das sich in den letzten Jahren in der Engineering-Visualisierung rasch verbreitet hatte. Insofern erschien es ratsam, die Untersuchungen bei diesem Format zunächst einzuleiten, ohne die anderen Formate grundsätzlich auszuschließen. In den Vorarbeiten wurde die grundsätzliche Eignung des JT-Formats für die Austausch- und Konvertierungsaufgaben [PSi05] bereits theoretisch beleuchtet. Zudem wurde in

3 der Zwischenzeit sowohl die JT-Format-Spezifikation offen gelegt als auch der Normungsprozess bei der ISO angestoßen. JT hat wegen seiner "Container- Struktur" einen großen Vorteil, dass eine JT-Datei sowohl die exakte als auch die tesselierte Produktrepräsentation in unterschiedlichen Ausprägungen (BREP, XT) samt PMI (Product Manafucaturing Information) enthalten kann. Abbildung 2: Potenzielle Anwendungsfelder für ein universelles 3D-Format 4. Testmethodik und -ergebnisse Vier Szenarien wurden im Rahmen der Untersuchung betrachtet, wobei sowohl synthetische als auch produktive Modelle in den CAD-Systemen CATIA V5, Pro/ENGINEER und NX, die in der Automobilindustrie besonders relevant sind, eingesetzt wurden. Die Modelle in den Quellsystemen wurden so gewählt, dass verschiedene Eigenschaften der Prozessoren umfassend getestet werden können. Als Zielsystem diente CATIA V5 - wie in der praktischen Anwendung. Bei allen Szenarien wurde eine Konvertierung der nativen Daten nach JT durchgeführt, wobei die erzeugte JT-Daten überprüft wurden. In allen Fällen wurde eine umfassende Sichtprüfung der JT-Dateien durchgeführt. Dabei sollte fest gestellt werden, ob einzelne Geometrieelemente korrekt übertragen wurden und ob die Farben der Originaldaten mitkonvertiert wurden. Bei den Sichtprüfungen der JT-Daten konnte die Qualität der JT-Breps zunächst nicht überprüft werden, weil gängige Viewer nur die tessellierte Geometrie visualisieren. Dieser Umstand hat die eindeutige Fehlerzuordnung im Problemfall wesentlich erschwert. Eine Überprüfung der Brep-Datenstruktur konnte durch die Auswertung der Logdateien sowie die Rückkonvertierung in CAD-Systeme durchgeführt werden. Zusätzlich wurden Konvertierungen mit STEP durchgeführt, um die fest gestellten Ergebnisse und sonstigen Beobachtungen den Konvertierungen über STEP gegenüber zu stellen. Hierfür standen bereits die nahezu perfekten Ergebnisse des STEP Benchmarks [PSi03] als Referenz zur Verfügung. Die durchgeführten Auswertungen waren nicht nur rein visueller, sondern auch metrischer und struktureller Natur. So wurde überprüft, ob die Geometrie nach dem Reimport nach CATIA V5 vollständig konvertiert wurde. Zusätzlich wurde

4 untersucht, ob die Farben mitkonvertiert wurden. Ein weiterer Faktor, der nicht nur für das Verbauen der Teile, sondern auch für die Arbeitsvorbereitung und Fertigung eine Rolle spielt, ist die Übertragung von Flächeninformationen, die u.u. besonders folgenschwere Modellfehler indiziert (Abb. 3). Abbildung 3: Testmethodik Flächenvergleich Die Ausgangsdaten wurden außerdem vor und nach der Konvertierung in Hinsicht auf die Datenqualität mit allgemeinen (VDA 4955) und spezifischen Kriterien deutscher Automobilhersteller überprüft. Hierfür wurden die Werkzeuge Q-Checker für CATIA V5, CHECK Geometry für Pro/Engineer und CheckMate für NX eingesetzt. Die Validierungskriterien (Oberfläche, Volumen, Schwerpunkt und Trägheitsmomente) wurden vor und nach der Konvertierung überprüft, wobei absolute sowie relative Abweichungen ermittelt wurden. Darüber hinaus wurden weitere Parameter wie die Krümmungen der Flächen, die Flächenverbindungen so wie die Ähnlichkeit der Modelle vor und nach der Konvertierung überprüft. Die Modelle, die dieser umfassenden Prüfung fehlerfrei stand halten, können folglich als Praxis tauglich bezeichnet werden. Insgesamt lieferte der Benchmark befriedigende Ergebnisse. Es konnten nahezu alle Testmodelle übertragen werden. Vielmehr gab es mitunter komplexe Praxismodelle, die fehlerfrei konvertiert werden konnten. Es soll allerdings nicht verschwiegen werden, dass sowohl eine Vielzahl von typischen Konvertierungsproblemen als auch beträchtliche Streuung in der Leistungsfähigkeit einzelner JT-Prozessoren beobachtet wurde. Demzufolge konnte noch keine Empfehlung zum produktiven Einsatz zum Zeitpunkt der Untersuchung ausgesprochen werden, wenn auch die Benchmark-Ergebnisse die Weiterentwicklung und Optimierung der getesteten Software durchaus rechtfertigen. Störend war es u.a., dass Regelgeometrien nicht mehr als solche in CATIA V5 erkennbar waren. Dadurch wurde es nicht mehr möglich, u.a. Kongruenzbedingungen, Mittellinien sowie Mittelpunkte zu definieren. Diese Funktionen sind im Baugruppenkontext jedoch von entscheidender Bedeutung (z.b. wenn Teile verbaut werden). Eines der typischen Konvertierungsprobleme, die auch aus der STEP-Entwicklung hinlänglich bekannt sind, zeigt die Abb. 4. Solche Probleme sind vornehmlich auf die bislang geringe Abstimmung einzelner Vendoren in der JT-Entwicklung zurück zu führen. Es wird dem im ProSTEP ivip e.v. noch zu gründenden JT Implementors Forum vorbehalten bleiben, die Wege zur Fehlerbehebung und Erzielung höherer Robustheit, wie sie bei den STEP-Prozessoren mittlerweile erreicht ist, den Vendoren aufzuzeigen.

5 Abbildung 4: CAD-Methodik abhängiges Konvertierungsproblem 5. Zusammenfassung und Ausblick Im vorliegenden Beitrag wurden die vielfältigen Anforderungen an die Engineering- Kollaboration, die typischen Praxisprobleme mit den marktfähigen Tools sowie die praktischen Lösungen auf Basis der universellen 3D-Formate vorgestellt. Im Vortrag werden ferner die Benchmark-Ergebnisse und die Erfahrungen aus aktuellen Entwicklungsprojekten geschildert sowie der Ausblick auf anderweitige Anwendungsfälle gegeben. Der Einsatz universeller 3D-Formate wie JT eröffnet eine ganz neue Perspektive in der Optimierung der Engineering-Kollaboration. Der bislang erreichte technologische Stand ist sehr ermutigend und lässt erwarten, dass in Kürze der technologische Stand von STEP bei der Konvertierung eingeholt wird. Somit wird eine technologische Basis zur Verfügung stehen, die die unternehmensübergreifende Prozesse entscheidend zu verändern hilft. Nichtsdestotrotz muss betont werden, dass eine Zusammenarbeit der Prozessorenhersteller notwendig ist, damit gleiche Konvertierergebnisse erzielt werden. Die Implementierung von Aufbereitungsfunktionen, um JT-Daten vor der Konvertierung anzupassen, könnte problematisch sein, weil zu erwarten ist, dass sich die Anzahl von JT-Prozessoren auf dem Markt erhöht. Es ist außerdem nicht auszuschließen, dass die Spezifikation des JT-Formats nicht eindeutig ist und deshalb zu unterschiedlichen Interpretationen führt. Auch diesbezüglich ist eine Kooperation der Prozessorenhersteller notwendig.

6 6. Literatur [PSi03] N.N.: 2003, 8th STEP Processor Benchmark, ProSTEP ivip e.v., Darmstadt, verfügbar unter: [PSi05] Anderl, Reiner; Heeg, Claus; Stöcker, Pamela: Projektstudie zur Bewertung des Datenformats JT; ProSTEP ivip e.v., Darmstadt, verfügbar unter: erte_downloads/whitepaper- Studien/ProSTEP_iViP_Study_JTdeutsch_1.0.pdf&t= &hash=878c208 bf2d2ffcb52f80575ed [PSi09] PDM User Group, ProSTEP ivip e.v., Darmstadt, verfügbar unter [SAS05] N.N., 2005, Digital Engineering Visualization, SASIG, SASIG Guideline [VDA07] N.N., 2007, Collaborative Product Visualisation - General issues and use case description, Frankfurt, VDA, VDA Empfehlung Autoren Dr. Alain Biahmou Senior Consultant PROSTEP AG Dolivostraße Darmstadt Telefon: Telefax: alain.biahmou@prostep.com Dr. Arnulf Fröhlich Teamleiter CA-Prozesse PROSTEP AG Dolivostraße Darmstadt Telefon: Telefax: arnulf.froehlich@prostep.com Dr. Josip Stjepandic Leiter des Competence Centers CA Technologie PROSTEP AG Dolivostraße Darmstadt Telefon: Telefax: josip.stjepandic@prostep.com