Teamorientierte Entwicklung durch Integration von CAD und PDM

Um effizient konstruieren zu können benötigt man heutzutage außer einem leistungsfähigen 3D-CAD-System ein leistungsstarkes PDM-System, das Produkt- und Prozessdaten verarbeiten kann. Nur so lassen...

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Um effizient konstruieren zu können benötigt man heutzutage außer einem leistungsfähigen 3D-CAD-System ein leistungsstarkes PDM-System, das Produkt- und Prozessdaten verarbeiten kann. Nur so lassen sich vor- oder nachgelagerte Bausteine erfassen und aufeinander abstimmen. Durch die Zugriffsmöglichkeiten auf die erforderlichen Modelle und Daten über das Internet können verteilte Standorte oder beteiligte Zulieferfirmen stärker als bisher in die Produktentwicklung mit einbezogen werden.Unter dem Einfluss der fortschreitenden Globalisierung der Märkte geraten die Produktentwicklungszyklen zunehmend unter Zeitdruck, weil das zuerst am Markt befindliche Produkt klare Wettbewerbsvorteile hat. Viele Firmen versuchen deshalb unter Hochdruck die Produktentwicklungszeiten zu verkürzen, um ihre Produkte möglichst früh am Markt zu etablieren. Nachdem die Industrie in den letzten Jahren mit großen Investitionen Rationalisierungspotenziale in der Fertigung ausgenutzt hat, wächst der Druck auf den Anfang der Prozesskette. Dies wird durch neue Anforderungen an den Konstruktionsprozess deutlich. Als Auswirkung kam es in den vergangenen Jahren zu einem forcierten CAD-Einsatz, dessen Hauptziel in der Senkung der Konstruktionszeiten bestand. Inhaltlich bestand der CAD-Einsatz oft nur in der Ablösung des Zeichenbrettes durch ein 2D-CAD-System, wodurch ein Geschwindigkeitsgewinn in der Zeichnungserstellung und eine bessere Änderungsfreundlichkeit erzielt wurde. An den prinzipiellen Arbeitsabläufen und der Gestaltung des Konstruktionsprozesses änderte sich jedoch wenig oder gar nichts. Aber für Entwicklungen unter Einbeziehung mehrerer Teams an verschiedenen Standorten ist dies nicht ausreichend. Die massive Einführung moderner 3D-CAD-Systeme dagegen veränderte die Arbeitsweise des Konstrukteurs grundlegender und vollzog sich deshalb auch schleppender. Der Konstrukteur musste in der Bedienung der Systeme eine andere Denkweise erlernen. Sowohl am Zeichenbrett als auch beim 2D-CAD stand die Zeichnungserstellung im Mittelpunkt und auf der Basis dieser Zeichnung wurde kommuniziert. Die Zeichnungsverwaltung spielte als Dokumentenverwaltung eine zentrale Rolle.Bei 3D-CAD-Systemen werden Bauteile jetzt direkt modelliert, die dann als virtuelle 3D-Modelle vorliegen. Diese Modelle bilden die Basis für die verschiedenen Disziplinen der Produktentwicklung, aus der unter anderem auch die Zeichnung abgeleitet werden kann. Zentral verfügbare 3D-Modelle sind die entscheidende Voraussetzung für die Umgestaltung des Konstruktionsprozesses in Richtung einer verteilten teamorientierten Entwicklung an mehreren Standorten. Die Idee, die Produktentwicklung durch gleichzeitige Bearbeitung in den verschiedenen Bereichen zu verkürzen (Simultaneous Engineering) und dadurch das Erscheinen des Produkts auf dem Markt nach vorn zu verlagern, ist nicht neu [1]. Ziel ist es, Arbeitsschritte bis zur Produktionsvorbereitung, die klassisch nacheinander ausgeführt werden, nach Möglichkeit zu parallelisieren und damit den Gesamtablauf zu verkürzen (Bild 1). Es handelt sich hierbei also nicht in erster Linie um eine neue Methodik der Produktentwicklung, sondern um eine Neuorganisation und auch Neugestaltung der Abläufe. Teamorientiertes Engineering erfordert eine zeitlich organisatorische Änderung der Produktentwicklungsabläufe. Dabei verändert sich die Arbeitsweise des Konstrukteurs dahingehend, dass noch in der Konstruktionsphase beispielsweise technologische Forderungen oder Fertigungseinschränkungen deutlich früher und damit besser berücksichtigt werden können. Auf diese Weise kann das Spezialwissen von Zulieferern, Werkzeugbauern oder Technologen in den Konstruktionsprozess mit einfließen, ohne dass dies mit aufwendiger Nacharbeit verbunden ist. Die Kommunikation aller betroffener Bereiche konzentriert sich dabei auf ein zentrales 3D-Produktmodell, das den aktuellen Entwicklungsstand repräsentiert.Paralleles Arbeiten erfordert abgestimmte KommunikationBei der Arbeit an größeren Projekten kann man die Parallelisierung gut beobachten. So ergibt sich für die Automobilindustrie die Notwendigkeit, gleichzeitig an Motor, Getriebe und Fahrgestell zu entwickeln. Dabei erhält man mindestens bidirektionale Abhängigkeiten bei Änderungen des Bauraumes oder an den Befestigungselementen, die Auswirkungen auf benachbarte Bereiche besitzen. Bei den etwa 5000 Einzelteilen, aus denen ein moderner Pkw besteht, ergibt sich ein enormer Koordinationsbedarf. Eine wesentliche Voraussetzung für paralleles Arbeiten ist eine abgestimmte Kommunikation zwischen den einzelnen Arbeitsbereichen. Erschwert wird diese Problematik durch verteilte Standorte der einzelnen Entwicklungsteams oder durch Zusammenarbeit mehrerer Firmen oder Zulieferer an verschiedenen Standorten. Eine Methode, die das Arbeiten an großen 3D-Modellen effektiver gestaltet, ist die Verwendung so genannter Modelliersätze (DSS - Dynamic Selection Set). Ausgangspunkt ist ein großes 3D-Modell, in dem die Baugruppenstruktur und die Bauräume bereits grob geklärt vorliegen. Wie können jetzt mehrere Konstrukteure gleichzeitig am 3D-Modell arbeiten, ohne sich gegenseitig zu behindern? Das erste Team identifiziert die zu bearbeitende Baugruppe und sperrt sie über das Freigabewesen des PDM-Systems (Produkt Data Management) für andere Teams zur Bearbeitung. Dieser Vorgang wird auch als auschecken bezeichnet. Dann selektiert das Team weitere für die Bearbeitung notwendige Anschlusselemente. Anschließend werden diese Teile aus dem Gesamtmodell heraus kopiert und in ein separates Bearbeitungsmodell überführt. An diesem Bearbeitungsmodell kann jetzt detailliert werden. Weil sich dieser Prozess mehrstufig gestalten lässt, erfolgt die Zerlegung, bis jeder Bearbeiter seinen ,,persönlichen" Aufgabenbereich separiert hat (Bild 2). Wichtig ist bei diesem Prozess, dass über das PDM-System die Transparenz hergestellt und gewahrt bleibt, sodass jeder befugte Benutzer sich einen Überblick verschaffen kann, wer an welchen Teilen arbeitet. Nach Abschluss der Arbeiten wird das jetzt detaillierte Modell automatisch in das jeweilig übergeordnete Modell und zuletzt in das Gesamtmodell eingecheckt und für andere Teams wieder zur Bearbeitung freigegeben. Die Vorteile des Verfahrens liegen auf der Hand. Am Gesamtmodell könnte ohne Einschränkungen immer nur ein Team arbeiten. Mit Hilfe dieser Technik ist das gleichzeitige Arbeiten einer beliebigen Anzahl von Personen an einem Modell gewährleistet. Dazu kommt noch der Vorteil, dass die Arbeit an sehr komplexen 3D-Modellen oft an die Grenze der eingesetzten Hardware stößt und sehr speicher- und zeitintensiv wird. Weil die Modelliersätze nur die notwendigen Bauteile und beliebig wählbare Bezugselemente beinhalten, ist die Komplexität deutlich geringer und das PDM-System verhindert, dass mehrere Personen zeitgleich an identischen Elementen Veränderungen vornehmen. Die Koordination dieser simultan ablaufenden Prozesse wird auch als Team-Data-Management (TDM) bezeichnet.Entscheidend für die Effizienz und Qualität einer solchen Teamarbeit ist die permanente Bereitstellung des aktuellen Bearbeitungsstandes. Jeder Beteiligte muss jederzeit den aktuellen Entwicklungsstand abrufen können. Wer mit innerbetrieblichen Abläufen vertraut ist weiß, wie häufig an Einzelteilzeichnungen konstruktive Änderungen vorgenommen werden, die später in Baugruppen- oder Zusammenbauzeichnungen Unstimmigkeiten verursachen. Oder die Aktualisierung einer Zeichnung wird ganz und gar vergessen und führt zu sehr spät erkennbaren Komplikationen. Dies lässt sich durch referenzierte 3D-Modelle vermeiden, die die ständige Aktualität eines 3D-Modells im gesamten Unternehmen sicherstellen. Das Verfahren ist recht einfach, aber wirkungsvoll. Ein Bauteil wird konstruiert und in das PDM-System eingegeben. Es spielt dabei keine Rolle, ob das Bauteil im Zusammenbau oder in der Baugruppe oder einzeln konstruiert wird. Das Bauteil kann in verschiedenen Baugruppen oder sogar projektübergreifend verwendet werden. Den Überblick über die Verwendung eines Bauteiles in den verschiedenen Baugruppen behält das PDM-System über den Teileverwendungsnachweis. Wird während der Konstruktion an diesem Teil eine Änderung vorgenommen, so stellt die Technik der referenzierten Bauteile sicher, dass beim Laden eines Modells, das dieses Bauteil enthält, stets der aktuelle Bearbeitungszustand geladen wird. Dabei wird beim Laden eines Modells die Teilestruktur durchlaufen und überprüft, ob jedes Teil auf dem aktuellen Änderungsstand ist. Ist dies nicht der Fall, ersetzt das CAD-System automatisch das Bauteil durch den neusten Bearbeitungszustand (Bild 3). Auch diese Technik verlangt Koordination. Über den Teileverwendungsnachweis des PDM-Systems lassen sich die Auswirkungen der Änderung eines referenzierten Bauteils überblicken, die je nach Verwendungshäufigkeit vielschichtig sind.Die Kombination der beiden Techniken ,,Modelliersatz" und ,,referenzierte Bauteile" schafft eine Modellbasis, auf der Teamarbeit effektiv möglich wird. Der Idealzustand bei dem sich alle Teams in einem lokalen Netzwerk befinden und die gleiche Datenbasis (PDM und CAD) verwenden, ist jedoch nicht immer zu erreichen. Ein erstes Problem ist die Arbeit an verteilten Standorten, die mit fortschreitender Globalisierung deutlich zunimmt. Dabei sind prinzipiell zwei Vorgehensweisen möglich:Das CAD-Modell befindet sich zentral an einem Standort und der Zugriff erfolgt von allen Standorten auf das eine zentrale Modell.Das Modell wird vollständig an mehrere Standorte übertragen und es erfolgt ein regelmäßiger Modellabgleich zwischen den Standorten.Direktzugriffe erfolgen über ISDN-VerbindungenAus Konsistenzgründen ist grundsätzlich die erste Vorgehensweise zu favorisieren, weil die Forderung nach vollständiger Aktualität des Modells nur hier permanent gewährleistet werden kann. Ihr wesentlicher Nachteil liegt in den Zugriffszeiten. Dabei hat sich in den letzten Jahren vieles verbessert. Direktzugriffe über ISDN-Verbindungen oder die Nutzung des Internets als VPN (Virtual Private Network) gestatten prinzipiell die notwendigen Zugriffe sowohl auf das CAD-Modell als auch auf das PDM-System. Bei komplexen Modellen ist dies praktisch jedoch noch nicht verbreitet, da die Zugriffszeiten oft nicht mehr mit dem Arbeitsablauf vereinbar sind. In den kommenden Jahren wird diese Vorgehensweise durch die ständig steigenden Übertragungsraten auf jeden Fall an Bedeutung gewinnen.Die zweite Vorgehensweise arbeitet mit einem so genannten Transfermanager, der keine ständige Netzwerkverbindung erfordert. Das Modell kann in regelmäßigen Zeitabständen oder auf Benutzeranforderung nach Abschluss wichtiger Zwischenschritte zwischen den einzelnen Standorten abgeglichen werden. Über temporäre Netzwerkverbindungen können dazu PDM-Daten aktualisiert und die Änderungen an den CAD-Modellen ausgetauscht werden. Bei entsprechender Koordination der Teams ist das oft ausreichend. Es ist jedoch dem Umstand Rechnung zu tragen, dass die Arbeit auf redundanten Modellen basiert und die Daten nur temporär den aktuellen Bearbeitungsstand widerspiegeln.Weit problematischer gestaltet sich Teamarbeit bei unterschiedlichen Datenbasen an den einzelnen Standorten. Sobald Daten zwischen unterschiedlichen CAD-Systemen ausgetauscht werden müssen, verliert die Arbeit an Effizienz und vor allem an Qualität. Ein Problem dabei sind die Schnittstellen, die es nicht gestatten, Parametrik- oder Featuremodelle zu übertragen. Das heißt, Daten aus einem CAD-System lassen sich in einem anderen CAD-System nur sehr mühsam oder überhaupt nicht ändern. Mit der Entwicklung der STEP-Schnittstelle (Standard for the Exchange of Product Model Data) hat die Datenübertragung zwar wesentlich an Zuverlässigkeit gewonnen, aber prinzipiell änderte sich am Verlust der vollständigen Parametrik- und Featureinformationen nichts. Deshalb bleibt der Transfer zwischen verschiedenen CAD-Systemen innerhalb des Konstruktionsprozesses oft eher eine Einbahnstraße.Für den Produktdatenaustausch zwischen verschiedenen PDM-Systemen ist die STEP-Spezifikation AP214 definiert. In der Praxis ist dies jedoch selten ohne massive Anpassungsarbeiten realisierbar.Geometriedatenübertragung ist erforderlichUnkomplizierter gestaltet sich die Situation, wenn der Zugriff auf das zentrale Modell nur informativen Charakter trägt beziehungsweise keine Rückführung von Modellveränderungen erforderlich ist. Dies ist bei der Modellübertragung in andere Bereiche wie den Modellbau (Rapid Prototyping) über eine STL-Schnittstelle (Stereolithografie) oder zu FEM-Berechnungen (Finite Elemente Methode) über STEP der Fall. Dabei wird erfolgreich Geometriedatenübertragung zwischen verschiedenen Systemen praktiziert. Mit dem VRML-Standard (Virtual Reality Modeling Language) ist eine Präsentation und der Austausch von 3D-Modellen im Internet möglich [3]. Der Betrachter benötigt dazu lediglich ein so genanntes Plugin zu seinem Internetbrowser. Vor allem im Bereich der Architektur wird davon reger Gebrauch gemacht, weil dort der bildhafte Eindruck eine weit größere Bedeutung hat als beispielsweise im Maschinenbau, wo es oft darauf ankommt aus dem Modell weiterführende Informationen zu gewinnen, wofür VRML eher ungeeignet ist.Mit einem durchdachten Team-Data-Management und einem entsprechend gerüstetem IT-Umfeld ist es möglich, die Produktentwicklungszeiten spürbar zu verkürzen. Insbesondere im Konstruktionsbereich kann bereits deutlich früher spezielles Fachwissen aus nachgelagerten Prozessen einfließen und zu fertigungsgerechteren und verbesserten Produkten führen. Die Möglichkeit der parallelen Einbeziehung aller Bereiche der Produktentwicklung und deren Zugriff auf ein zentrales Modell (Bild 4) bringt einen enormen Informations- und Geschwindigkeitsgewinn. Außer einem leistungsfähigen 3D-CAD-System ist ein leistungsstarkes PDM-System, das Produkt- und Prozessdaten verarbeiten kann, von entscheidender Bedeutung. Nur so lassen sich vor- oder nachgelagerte Bausteine erfassen und aufeinander abstimmen. Durch die Zugriffsmöglichkeiten auf die erforderlichen Modelle und Daten über das Internet können verteilte Standorte oder beteiligte Zulieferer ohne zeitaufwendige Vor-Ort-Termine stärker als bisher in die Produktentwicklung mit einbezogen werden. Literatur[1]Kurth, H.W., und andere: Entwicklungsmanagement: Simultaneous Engineering. Tagungsbericht zu den 2. Entwicklungsmanagementtagen in Mittelhessen, 1994.[2]Sendler, U.: C-Technik und Java: neue Perspektiven für die Industrie. München Wien: Carl Hanser Verlag 1998.[3] Kloss, J., und andere: VRML 97: der internationale Standard für interaktive 3D-Welten im World Wide Web. Addison Wesley Longman Verlag 1998.