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FACHINFORMATIONEN
Dieser Artikel soll einen Überblick über den gegenwärtigen Stand und die Entwicklungstendenzen bei CAx-Anwendungen geben. Für den Leser bietet sich die Möglichkeit über die unten genannten
Informationsquellen zu recherchieren und die Themen zu vertiefen.
Bedeutung dieser Technologie
Ohne Computereinsatz ist die Konstruktion und Entwicklung moderner Produkte heute kaum noch vorstellbar. Computer Aided Design, kurz CAD, ist die Schlüsseltechnologie, die eine produktive Variantenkonstruktion erst möglich macht und ohne die verlässliche Simulationsergebnisse nicht denkbar wären. Mittlerweile vollzieht sich der Wechsel von der computergestützten 2D-Konstruktion, hin zur dreidimensionalen Volumen- oder Flächenmodellierung. Gleichzeitig wachsen Elektronik-Design-Systeme (EDA) mit Mechanik - CAD zusammen, um künftig auch die durchgängige Entwicklung und Simulation von komplexen mechatronischen Systemen zu ermöglichen. CAD hat sich längst als Standard für die Konstruktion etabliert. Fragte man sich noch vor einigen Jahren, ob man mit zwei- oder dreidimensionalen Abbildungen arbeiten sollte, so stellt heute fast jeder seine Produkte, Baugruppen und -teile dreidimensional dar. Konkret heißt das, dass der Kunde sich schon vor Fertigstellung einen Eindruck von seinem Produkt machen kann, der Servicetechniker sich fortlaufend über Displays mit den aktuellen Konstruktionszeichnungen versorgen lässt und die Entwicklungsabteilung schon vor den ersten Testläufen viele Fehler erkennt. Aus der zunehmenden Verfügbarkeit von 3D-CAD-Daten bietet sich eine sinnvolle Weiterverwendung in anderen Unternehmensbereichen, beispielsweise zur technischen Dokumentation an. Durch die Verwendung von hochwertigen technischen Illustrationen lassen sich Dokumentationen wie Betriebsanleitungen, Montageanweisungen und Ersatzteilkataloge anschaulich und verständlich gestalten. Durch einfachen Maus-Klick erfolgt die Übernahme vorhandener 3D CAD-Daten zu Präsentationszwecken heutzutage weitestgehend automatisiert. Gleichzeitig werden die Illustrationen automatisch auf die Verwendung in elektronischen Teilekatalogen vorbereitet. Dadurch wird der Arbeitsaufwand sowohl seitens der Konstruktion als auch der Dokumentation erheblich reduziert. Durch die Neuordnung der Handwerksberufe im Jahre 2002 sind CAD - Anwendungen Bestandteil der beruflichen Ausbildung geworden. Auch im Handwerksbetrieb ergeben sich durch den Einsatz moderner CAD-Software enorme Einsparpotentiale. Viele Handwerksbetriebe nutzen mittlerweile die Vorzüge des Datenaustausches über standardisierte Schnittstellen. Fehler werden frühzeitig erkannt, minimiert und somit Kosten gesenkt.
Stand der Technik
Die Anwendungen im CAx-Bereich sind geprägt durch die 3D-Modellierung. Der Produktentwicklungsprozess ist die Konzeptphase, in der zahlreiche Ermittlungen und Festlegungen für den Product Lifecycle getroffen werden müssen. Die durchgängige 3D-Modellierung ermöglicht das Nutzen der Daten während des gesamten Produktentstehungsprozesses. Ebenso wird ein umfangreiches Spektrum von zusätzlichen Anwendungen eingesetzt. Beispielhaft seien hier Berechnungs- und Simulationsprogramme oder die 3D-Produktvisualisierung in nichttechnischen Bereichen (z.B. Marketing, Vertrieb) genannt. Viele CAx - Systeme bieten zwar eine große Auswahl an Modulen für nahezu alle Bereiche der Produktentwicklung, allerdings ist kein System, unabhängig von seiner Komplexität, in der Lage, alle Anforderungen seiner Anwender zu erfüllen. Deshalb kommen in immer größerem Umfang spezielle Programme für individuelle Probleme zum Einsatz. Der Anwender sieht sich jedoch mit Schwierigkeiten konfrontiert, wenn er versucht, für spezielle Probleme spezielle Anwendungen unterschiedlicher Systemhersteller einzusetzen. Um die Integration der verschiedenen Programme zu ermöglichen, muss er sich auf neutrale Standardschnittstellen für den Produktdatenaustausch (IGES, VDAFS, STEP) verlassen, wobei hier mit Informationsverlusten zu rechnen ist. Außerdem muss er sich mit differierenden Benutzerführungen vertraut machen. Im Bewusstsein dieser Probleme entwickelte die Arbeitsgruppe "CAD/CAM-Strategien der deutschen Automobilindustrie" einen Vorschlag für eine offene CAx-Systemarchitektur. Diese sollte in der Lage sein, alle CAx-Komponenten, die im Laufe des Produktentstehungsprozesses verwendet werden, zu integrieren. Die Konzentration im CAx/PLMMarkt wird sich vermutlich auch in den nächsten Jahren weiter fortsetzen. Diverse Übernahmen die in den letzten Jahren getätigt wurden, belegen die Konzentrationsbestrebungen im CAx/PLM-Markt. Auch wenn zur Zeit keine gravierenden technologischen Sprünge im CAx/PLM-Markt zu erwarten sind, ist doch eine kontinuierliche Weiterentwicklung zu beobachten, sei es die einfachere Handhabung der Systeme, die bessere Zusammenarbeit zwischen den Projektbeteiligten, mehr Durchgängigkeit bezüglich der Weiterverwendung von einmal erstellten Daten oder auch die leistungsfähigeren Hardware-Plattformen und Vernetzungs- und Internet-Strukturen.
Forschungs- und Entwicklungsbedarf
Unternehmen sehen sich einem zunehmenden globalen Wettbewerbsdruck und einer steigenden Komplexität von technischen hochwertigen Produkten und Dienstleistungen konfrontiert. Die Produktentwicklungsphase ist durch CAD-Systeme unzureichend unterstützt. Diese unzureichende Unterstützung liegt zum einen an den noch begrenzten Möglichkeiten der CAD-Systeme für Handskizzeneingabe und -verarbeitung, zum anderen an der starken Durchdringung der Konzeptphase mit kreativen Tätigkeiten. Darüber hinaus unterstützen CAD-Systeme hauptsächlich die Gestaltungs- und die Detaillierungsphase sowie die Dokumentation und die Erstellung von Fertigungszeichnungen, also eine späte Phase im Konstruktionsprozess. Die CAD-Unterstützung beschränkt sich nur auf die Suche nach Wirkprinzipen sowie auf das Erstellen des ersten maßstäblichen Entwurfes. Die Umwandlung von Prinzipkonstruktionen in Volumenmodelle wird durch das Verwenden des Skizzenmodus (Sketcher), der Part-Umgebung sowie der Assembly-Umgebung eines CAD-Systems realisiert, also konventionelle CAD-Systemfunktionen. Dabei werden parametrische, dynamische Modellierungsmethoden sowie Formelelement- Technik eingesetzt. Trotz dieser unzureichenden Unterstützung ist es möglich, eine Verbesserung des Einsatz von CAD-Systemen beim Konzipieren zu gewinnen, indem das CAD-System zur Durchführung von Routinetätigkeiten während des Konzipierens eingesetzt werden kann. Beim Konzipieren stehen dem Konstrukteur andere Möglichkeiten zur Verfügung. Dazu gehören branchenspezifische Software, 2D-Scanner, Virtuelle Realität und 3D-Skizzierer.
Ein 3D-Skizzierer, der am Lehrstuhl für Produktentwicklung der TU München entwickelt wurde, stellt eine neue Unterstützung dar, die in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden kann. Der 3D-Skizzierer verbindet die Vorteile intuitiver Papierskizzen und 3D-Software sowie ermöglicht die Anfertigung dreidimensionaler Skizzen. Um die Skizzen räumlich wahrzunehmen, wird Virtual Reality eingesetzt.
Betroffene Gewerke:
Die Berufe der Metall-Gewerke, Elektro-Gewerke, Bau-Gewerke, Holz-Gewerke, Kfz-Gewerke. Graveure, Feinwerkmechaniker, Büchsenmacher, Installateur und Heizungsbauer und andere Einzelgewerke.
Fachmessen:
INTERPART
www.interpart-karlsruhe.de
intec
www.messe-intec.de
EUROMOLD
www.euromold.com/deutsch/index.php
METAV
http://www.metav.de/
EMO
http://www.emo-hannover.de/
AMB
http://www.messe-stuttgart/amp/
Auswirkungen/Probleme/Zukünftige Aktivitäten zur Beschleunigung des Technologie-Transfers:
Die Integration der CAD-Anwendungen in die Berufsausbildung erfolgt in erster Linie
über die Rahmenlehrpläne der Berufsschulen. In den Berufsbildungs- und Technologiezentren sind Ausstattung und Know-how zur Wissensvermittlung vorhanden. Dies sollte genutzt werden um die CAD-Ausbildung in den überbetrieblichen Lehrgängen der Berufsausbildung als Standard für die genannten Gewerke zu definieren.
Informationszentren zu CAX-Anwendungen:
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Inhaltsverzeichnis
Bedeutung dieser Technologie
Ohne Computereinsatz ist die Konstruktion und Entwicklung moderner Produkte heute kaum noch vorstellbar. Computer Aided Design, kurz CAD, ist die Schlüsseltechnologie, die eine produktive Variantenkonstruktion erst möglich macht und ohne die verlässliche Simulationsergebnisse nicht denkbar wären. Mittlerweile vollzieht sich der Wechsel von der computergestützten 2D-Konstruktion, hin zur dreidimensionalen Volumen- oder Flächenmodellierung. Gleichzeitig wachsen Elektronik-Design-Systeme (EDA) mit Mechanik - CAD zusammen, um künftig auch die durchgängige Entwicklung und Simulation von komplexen mechatronischen Systemen zu ermöglichen. CAD hat sich längst als Standard für die Konstruktion etabliert. Fragte man sich noch vor einigen Jahren, ob man mit zwei- oder dreidimensionalen Abbildungen arbeiten sollte, so stellt heute fast jeder seine Produkte, Baugruppen und -teile dreidimensional dar. Konkret heißt das, dass der Kunde sich schon vor Fertigstellung einen Eindruck von seinem Produkt machen kann, der Servicetechniker sich fortlaufend über Displays mit den aktuellen Konstruktionszeichnungen versorgen lässt und die Entwicklungsabteilung schon vor den ersten Testläufen viele Fehler erkennt. Aus der zunehmenden Verfügbarkeit von 3D-CAD-Daten bietet sich eine sinnvolle Weiterverwendung in anderen Unternehmensbereichen, beispielsweise zur technischen Dokumentation an. Durch die Verwendung von hochwertigen technischen Illustrationen lassen sich Dokumentationen wie Betriebsanleitungen, Montageanweisungen und Ersatzteilkataloge anschaulich und verständlich gestalten. Durch einfachen Maus-Klick erfolgt die Übernahme vorhandener 3D CAD-Daten zu Präsentationszwecken heutzutage weitestgehend automatisiert. Gleichzeitig werden die Illustrationen automatisch auf die Verwendung in elektronischen Teilekatalogen vorbereitet. Dadurch wird der Arbeitsaufwand sowohl seitens der Konstruktion als auch der Dokumentation erheblich reduziert. Durch die Neuordnung der Handwerksberufe im Jahre 2002 sind CAD - Anwendungen Bestandteil der beruflichen Ausbildung geworden. Auch im Handwerksbetrieb ergeben sich durch den Einsatz moderner CAD-Software enorme Einsparpotentiale. Viele Handwerksbetriebe nutzen mittlerweile die Vorzüge des Datenaustausches über standardisierte Schnittstellen. Fehler werden frühzeitig erkannt, minimiert und somit Kosten gesenkt.
Stand der Technik
Die Anwendungen im CAx-Bereich sind geprägt durch die 3D-Modellierung. Der Produktentwicklungsprozess ist die Konzeptphase, in der zahlreiche Ermittlungen und Festlegungen für den Product Lifecycle getroffen werden müssen. Die durchgängige 3D-Modellierung ermöglicht das Nutzen der Daten während des gesamten Produktentstehungsprozesses. Ebenso wird ein umfangreiches Spektrum von zusätzlichen Anwendungen eingesetzt. Beispielhaft seien hier Berechnungs- und Simulationsprogramme oder die 3D-Produktvisualisierung in nichttechnischen Bereichen (z.B. Marketing, Vertrieb) genannt. Viele CAx - Systeme bieten zwar eine große Auswahl an Modulen für nahezu alle Bereiche der Produktentwicklung, allerdings ist kein System, unabhängig von seiner Komplexität, in der Lage, alle Anforderungen seiner Anwender zu erfüllen. Deshalb kommen in immer größerem Umfang spezielle Programme für individuelle Probleme zum Einsatz. Der Anwender sieht sich jedoch mit Schwierigkeiten konfrontiert, wenn er versucht, für spezielle Probleme spezielle Anwendungen unterschiedlicher Systemhersteller einzusetzen. Um die Integration der verschiedenen Programme zu ermöglichen, muss er sich auf neutrale Standardschnittstellen für den Produktdatenaustausch (IGES, VDAFS, STEP) verlassen, wobei hier mit Informationsverlusten zu rechnen ist. Außerdem muss er sich mit differierenden Benutzerführungen vertraut machen. Im Bewusstsein dieser Probleme entwickelte die Arbeitsgruppe "CAD/CAM-Strategien der deutschen Automobilindustrie" einen Vorschlag für eine offene CAx-Systemarchitektur. Diese sollte in der Lage sein, alle CAx-Komponenten, die im Laufe des Produktentstehungsprozesses verwendet werden, zu integrieren. Die Konzentration im CAx/PLMMarkt wird sich vermutlich auch in den nächsten Jahren weiter fortsetzen. Diverse Übernahmen die in den letzten Jahren getätigt wurden, belegen die Konzentrationsbestrebungen im CAx/PLM-Markt. Auch wenn zur Zeit keine gravierenden technologischen Sprünge im CAx/PLM-Markt zu erwarten sind, ist doch eine kontinuierliche Weiterentwicklung zu beobachten, sei es die einfachere Handhabung der Systeme, die bessere Zusammenarbeit zwischen den Projektbeteiligten, mehr Durchgängigkeit bezüglich der Weiterverwendung von einmal erstellten Daten oder auch die leistungsfähigeren Hardware-Plattformen und Vernetzungs- und Internet-Strukturen.
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Computermouse konstruiert mit Autodesk Inventor, Quelle: Autor |
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2D-Zeichnungsableitung, Quelle: Autor |
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CAM-Programmierung mit Mastercam, Quelle: Autor |
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gefrästes Teil, Maschine DMU50eVo, Steuerung Heidenhain iTNC530 Quelle: Autor |
Forschungs- und Entwicklungsbedarf
Unternehmen sehen sich einem zunehmenden globalen Wettbewerbsdruck und einer steigenden Komplexität von technischen hochwertigen Produkten und Dienstleistungen konfrontiert. Die Produktentwicklungsphase ist durch CAD-Systeme unzureichend unterstützt. Diese unzureichende Unterstützung liegt zum einen an den noch begrenzten Möglichkeiten der CAD-Systeme für Handskizzeneingabe und -verarbeitung, zum anderen an der starken Durchdringung der Konzeptphase mit kreativen Tätigkeiten. Darüber hinaus unterstützen CAD-Systeme hauptsächlich die Gestaltungs- und die Detaillierungsphase sowie die Dokumentation und die Erstellung von Fertigungszeichnungen, also eine späte Phase im Konstruktionsprozess. Die CAD-Unterstützung beschränkt sich nur auf die Suche nach Wirkprinzipen sowie auf das Erstellen des ersten maßstäblichen Entwurfes. Die Umwandlung von Prinzipkonstruktionen in Volumenmodelle wird durch das Verwenden des Skizzenmodus (Sketcher), der Part-Umgebung sowie der Assembly-Umgebung eines CAD-Systems realisiert, also konventionelle CAD-Systemfunktionen. Dabei werden parametrische, dynamische Modellierungsmethoden sowie Formelelement- Technik eingesetzt. Trotz dieser unzureichenden Unterstützung ist es möglich, eine Verbesserung des Einsatz von CAD-Systemen beim Konzipieren zu gewinnen, indem das CAD-System zur Durchführung von Routinetätigkeiten während des Konzipierens eingesetzt werden kann. Beim Konzipieren stehen dem Konstrukteur andere Möglichkeiten zur Verfügung. Dazu gehören branchenspezifische Software, 2D-Scanner, Virtuelle Realität und 3D-Skizzierer.
Ein 3D-Skizzierer, der am Lehrstuhl für Produktentwicklung der TU München entwickelt wurde, stellt eine neue Unterstützung dar, die in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden kann. Der 3D-Skizzierer verbindet die Vorteile intuitiver Papierskizzen und 3D-Software sowie ermöglicht die Anfertigung dreidimensionaler Skizzen. Um die Skizzen räumlich wahrzunehmen, wird Virtual Reality eingesetzt.
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Flächenanalyse mit Inventor, Quelle: Autor |
Betroffene Gewerke:
Die Berufe der Metall-Gewerke, Elektro-Gewerke, Bau-Gewerke, Holz-Gewerke, Kfz-Gewerke. Graveure, Feinwerkmechaniker, Büchsenmacher, Installateur und Heizungsbauer und andere Einzelgewerke.
Fachmessen:
INTERPART
www.interpart-karlsruhe.de
intec
www.messe-intec.de
EUROMOLD
www.euromold.com/deutsch/index.php
METAV
http://www.metav.de/
EMO
http://www.emo-hannover.de/
AMB
http://www.messe-stuttgart/amp/
Auswirkungen/Probleme/Zukünftige Aktivitäten zur Beschleunigung des Technologie-Transfers:
Die Integration der CAD-Anwendungen in die Berufsausbildung erfolgt in erster Linie
über die Rahmenlehrpläne der Berufsschulen. In den Berufsbildungs- und Technologiezentren sind Ausstattung und Know-how zur Wissensvermittlung vorhanden. Dies sollte genutzt werden um die CAD-Ausbildung in den überbetrieblichen Lehrgängen der Berufsausbildung als Standard für die genannten Gewerke zu definieren.
Informationszentren zu CAX-Anwendungen:
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Einen Überblick über Anbieter und Leistungsumfang von CAD-Systemen bietet die Seite www.softguide.de/software/cad.htm
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Normalien- und CAD-Kataloge sind unter http://www.traceparts.com/de/ zu finden
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Schnittstellenübersicht http://www.camtex.de/
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Datenkonvertierungsprogramme mit download bietet www.cad-news.de/download.htm
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Informationen über CAX - Anwendungen und Informationsaustausch unter www.cad.de/de.shtml
Zeitschrift CAD/CAM Carl Hanser Verlag München http://www.cad-cam.de/
Entwicklungstendenzen:
Weitere interessante Anwendungen wie Virtual Reality, Augmented Reality oder Virtual Engineering ermöglichen ein realitätsnahes zusammenwirken verschiedener Prozesse.
Das Konstruieren im Virtual Reality 3D-Raum unterstützt das Vorstellungsvermögen des Architekten. Änderungen wie Materialoberfläche sind sofort sichtbar, selbst Lichteinfall kann simuliert werden. Durch die visuelle Überlagerung realer Objekte mit rechnergenerierten virtuellen Objekten erlauben Augmented Reality Techniken im Sinne einer erweiterten Realität das situationsgerechte Agieren in realen Arbeitsumgebungen. Zentraler Bestandteil des Virtual Engineering sind virtuelle Modelle, die für die Produkt- und Prozessgestaltung genutzt werden. Werkzeuge und Komponenten werden mit modernen CAD-Werkzeugen konstruiert. Aus den CAD-Daten werden anschließend 3D Modelle generiert. Werden in diese Funktionalitäten und Abhängigkeiten integriert, erhält man virtuelle Modelle. Ihre Funktionen lassen sich gefahrlos und kostengünstig am virtuellen Prototyp visualisieren und testen. Im virtuellen Prototyp können Komponenten verschiedener Zulieferer und Entwicklungspartner zusammengeführt und in einem 3D Funktionsmodell getestet werden. Durch Festigkeitsberechnungen, aerodynamische Tests oder Kollisionstests am digitalen Modell werden Zeit und Kosten gespart, die zum Experiment an realen Prototypen notwendig wären.
Quellen
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Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Maschinenbauinformatik studienbegleidende Arbeiten Autor: cand.-Ing. Mah'd Hamad
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Zeitschrift CAD/CAM Carl Hanser Verlag München
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Dipl.-Ing. B. Swienczek, Dipl.-Inform. F. Arnold, Dipl.-Ing- Th. Kilb, Dipl-Ing. A. Janocha Lehrstuhl für Rechneranwendungen in der Konstruktion, Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Universität Kaiserslautern
Weiterführende Fachinformationen zu "CAX-TECHNOLOGIEN"