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Model Based Definition

Technische Zeichnungen waren gestern, jetzt kommt Model Based Definition (MBD)

Technische Zeichnungen hatten stets etwas Elitäres und Mysteriöses. Es bedurfte einer Menge Erfahrung und Wissen, um aus der Vielzahl von Ansichten, Details und Schnittdarstellungen tatsächlich brauchbare Informationen gewinnen zu können. Zwar ist auch die „Isometrische Darstellung“ als behelfsmäßige 3D-Darstellung Bestandteil vieler technischer Zeichnungen. Jedoch dienen diese Darstellungen eher der Orientierung, als der Detailinformation. Auch wenn sich die 3D-Modellierung mit dem CAD System längst etabliert hat, werden Fertigungsunterlagen in der Regel noch immer in Form von 2D-Zeichnungen generiert und zur Kommunikation genutzt. Doch hier zeichnet sich ein Paradigmenwechsel ab: Moderne CAD Systeme schicken sich durch leistungsstarke Zusatzmodule mit entsprechenden Features an, die 2D-Zeichnungen endgültig aufs Abstellgleis zu schieben. Das hierzu verwendete Stichwort lautet „Modellbasierte Definition (kurz: MBD)“.

Was ist die Model Based Definition?

Die 3D-Modellierung diente bisher nur dazu, den Entwickler bzw. den Konstrukteur bei der Gestaltung und Dimensionierung zu unterstützen. Das Produkt konnte schon vor der Realisierung im dreidimensionalen Raum betrachtet werden. Dies gilt nicht nur für das jeweilige Einzelteil, sondern auch für einfache bis hin zu komplexen Zusammenbauten. Der Begriff Digital Mockup (kurz DMU) steht für diesen Aspekt der virtuellen Beurteilung von Designdaten. Nicht minder wichtige Informationen hinsichtlich notwendiger Spezifikationen, die für die Herstellung und Fertigung der Produkte erforderlich sind, waren (und sind) typischerweise nicht Bestandteil dieser 3D-Daten. Angaben über notwendige Bezugssysteme, zu Dimensionen (Maßen), Toleranzen sowie zu Oberflächenanforderungen mussten in Form von technischen (Fertigungs-) Zeichnungen kommuniziert werden.
Moderne additive Fertigungsverfahren wie zum Beispiel der 3D-Druck oder Rapid Prototyping, aber auch leistungsstarke Mehrachsen-CNC-Maschinen haben bereits heute Datenschnittstellen, die es ihnen ermöglichen, aus dem CAD System exportierte Daten einzulesen und zu verarbeiten.

Model Based Definition greift diese Fähigkeiten auf und zielt darauf ab, neben den nominalen Geometrieinformationen zur Steuerung der Maschinen auch alle Fertigungsrelevanten Informationen (Toleranzen, Oberflächengüten, usw.) zur Qualitätsprüfung am 3D-Modell zu kommunizieren. So wird es zum Beispiel durch den Einsatz von optischen Messverfahren ohne jegliche Brüche in den Medien möglich, die Maßhaltigkeit von gefertigten Bauteilen zu prüfen.

Unter „Modellbasierter Definition“ versteht man deshalb die „Definition des Produkts am 3D-Modell“ über die Nominalgeometrie hinaus. Es grenzt sich damit eindeutig von der klassischen Definition eines Produkts anhand einer 2D-Zeichnung ab. Was bleibt, ist der Aufwand für die manuelle Eintragungen aller Spezifikationen, nun am 3D-Modell. Jedoch entfällt das aufwendige Ableiten und editieren von Fertigungszeichnungen genauso, wie das ständige und sehr fehleranfällige aktualisieren von Zeichnungen bei veränderten Designständen.

Vorteile von Model Based Definition

Model Based Definition liefert in erster Linie ein visuell-haptisches Modell, welches nach Belieben von allen Seiten betrachtet werden kann. Damit ist es wesentlich anschaulicher und zugänglicher, als die klassischen 2D-Zeichnungen, die nur von Fachleuten gelesen und verstanden werden können. Darüber hinaus können auf der modellbasierten Definition alle Informationen untergebracht werden, die vormals zum Standard der 2D-Zeichnungen gehört haben. Dazu zählen:

  • Dimensionen
  • Bezugssysteme
  • Maß- Form- und Lagetoleranzen
  • Benutzte Normen und Standards
  • Angaben zur Oberflächenrauheit
  • Angaben zu Schweißnähten u.ä.
  • Kommentare

Falls erforderlich, lässt sich mit Hilfe des 3D-Modells auch wieder eine 2D-Zeichnung ableiten. Diese Funktion ist vor allem in Zeiten des Systemumbruches wichtig. Denn nicht alle Entwicklungs- und Produktionspartner sind weder technisch noch personell in der Lage, MDB zeitnah ein- und umzusetzen.

Zusammenfassend können folgende Vorteile von MBD genannt werden:

  • Höhere Transparenz während des gesamten Schaffungsprozess
  • Informationstransfer ohne Medienbrüche
  • Arbeitsersparnis
  • Produktionsbereite Modelle für moderne Maschinen und Anlagen
  • Änderungen sind jederzeit zentral umsetzbar
  • Die Folgen von Anpassungen und Änderungen lassen sich in Echtzeit auswerten (Änderung des Materials, Änderung der Geometrie usw.)
  • Durch 2D-Ausleitungen auch für traditionelles Engineering verwendbar

Die Transparenz beginnt bei der modellbasierten Definition bereits beim „Blick über die Schulter“. Jeder am Projekt beteiligte kann den Schaffungsprozess nicht nur beobachten, sondern auch moderieren. So kann mit Hilfe des MBD quasi in Echtzeit das Produkt mit Hilfe eines moderierenden „Ideengebers“ und eines „Umsetzers“ am Bildschirm entwickelt werden.
Die am Bildschirm sichtbaren Modelle entsprechen 1:1 dem, was am Ende aus der Produktionsmaschine kommt. Missverständnisse und Abweichungen sind bei der modellbasierten Definition auf ein Minimum reduziert.
Die Modelle können in der Regel so, wie sie am Rechner des Entwicklers entstanden sind, direkt in die Produktionsmaschine überführt werden. Ein umständliches Nachbauen des Modells für die CNC-spezifische Sprache entfällt oder kann mit Hilfe eines automatischen Konverters umgesetzt werden.
Änderungen können jederzeit am Modell durchgeführt werden. Das Besondere an der modellbasierten Definition ist, dass die Folgen jeder Änderung in Echtzeit darstellbar sind. Wenn beispielsweise Maße oder Materialien geändert werden, lässt sich sofort die Veränderung am Produktgewicht nachvollziehen.
Die größte, innovative Leistung moderner MBD-Systeme besteht darin, dass durch die grundlegenden Informationen zum Produkt bereits automatisiert bestimmte Einstellungen definiert werden können. Wenn beispielsweise bestimmte Werkstoffe im digitalen Datensatz das Produkt definieren, hat das automatisiert Auswirkungen auf die erreichbaren Toleranzen. Holz ist beispielsweise nicht in der engen Toleranz bearbeitbar wie Stahl oder Aluminium. Moderne Engineering-Software mit modellbasierter Definition kann diese Informationen automatisiert generieren. Das vermeidet Missverständnisse und Fehlplanungen bereits in der Konstruktionsphase.

Als Nachteile sind zu nennen:
  • Komplexes und kostenintensives PDM (Product Data Management), eingebunden in ein Product Lifecircle Management (PLM)
  • Hohe Kompetenz im Umgang mit den entsprechenden Software-Tools erforderlich
  • Hohe Dynamik in der Entwicklung der Programme, dadurch hoher, kontinuierlicher Lern- und Schulungsaufwand

Obwohl die Software-Hersteller den Nutzen und die Notwendigkeit von Usability bei ihren Produkten erkannt haben, ist der Einstieg in Model Based Definition nach wie vor eine große Herausforderung. Es bedarf einiger Zeit, bis ein Neuling wirklich produktionsfähige Modelle mit Hilfe der MBD-Programme herstellen kann. Die Anfangsinvestitionen in die Manpower sind auch bei den komfortabelsten und leistungsstärksten Programmen von heute nicht zu unterschätzen.
Insbesondere der Umstand, dass neue Versionen und Upgrades nach wie vor in recht kurzer Zeit kommen, macht ein kontinuierliches Engagement erforderlich. Es ist daher stets erforderlich, sich nicht zu weit von den aktuellen Programmen zu entfernen, sondern sein Wissen stets auf dem möglichst neuestem Stand zu halten.

Standardisierung der MBD-Software
Die American Society of Mechanical Engineers (ASME) hat mit der Y14.41-2003 eine erste Norm zur digitalen Produktdefinition veröffentlicht. Sie wurde im Jahr 2012 weiterentwickelt. Die entsprechende europäische Norm wurde 2015 mit der ISO 16792 veröffentlicht. Sie ist weitestgehend mit der ASME-Norm harmonisiert, so dass ein transatlantischer Austausch von Daten problemlos möglich ist. Weitere Normen zum Thema MBD sind die ISO 1101 von 2004 sowie die AS9100.

Der nächste Schritt: PMI

PMI oder Product Manufacturing Information ist der nächste Schritt in der
digitalisierten, virtuellen Produktentwicklung. Vereinfacht gesagt, bedeutet PMI folgendes: Ein Modell am Computer zu generieren ist zwar die Voraussetzung dafür, ein Produkt auch herstellen zu können. Vom Modell zur Serienfertigung ist es dann aber immer noch ein weiter Weg. Daher wurde neben dem MBD auch das PMI als notwendige Informationsquelle definiert, deren Ergebnisse frühestmöglich in den Entwicklungsprozess mit einbezogen werden.

Das PMI beinhaltet alle nicht-geometrischen Informationen eines 3D-Modells. Es lassen sich darunter die vormals benannten Faktoren wie Material, Toleranzen oder Oberflächengüte zusammenfassen. Darüber hinaus können auch alle Informationen zum PMI gehören, die direkt mit der Serienfertigung des Produkts zusammenhängen. Das können neben anderen sein:

  • Temperaturentwicklungen und -einflüsse während der Herstellung
  • Härtevorgaben
  • Schwund- und Setzverhalten
  • Auswirkungen langer Lagerzeiten

Je weiter die Product Manufacturing Information entwickelt ist, desto besser können die ermittelten Faktoren in der Modellierung mit einbezogen werden. Das bewahrt vor bösen Überraschungen. Wenn die Gefahr besteht, dass ein fertiges Produkt seine erlaubten Toleranzen bei hoher Wärme (oder Kälte) verliert, lässt sich das im Vorfeld am Modell simulieren und durch eine zum Beispiel angepasste Materialauswahl vermeiden.

Der „Digitale Zwilling“ – Virtualität und Realität spiegeln sich

Ein digitaler Zwilling ist die Simulation eines realen Objekts. In der Regel sind damit haptische Elemente wie Bauteile gemeint. Jedoch lassen sich mit Hilfe des digitalen Zwillings auch immaterielle Dinge simulieren wie beispielsweise Strömungsverhalten, gesellschaftliche Entwicklungen oder Wachstumsraten.
Wichtig beim digitalen Zwilling ist deshalb, dass er nicht nur die Maße des realen Objekts simuliert. Auch seine Materialeigenschaften und die Auswirkungen der Umgebungsbedingungen müssen in das simulierte Objekt mit einberechnet werden. Nur wenn alle relevanten Faktoren, welche den digitalen Zwilling beeinflussen mit einbezogen werden, lassen sich valide Aussagen zum langfristigen Verhalten des Produkts (Stichwort: Product Lifecircle Management – PLM) treffen. Das hat enorme Vorteile in die Produktplanung, -qualität und -sicherheit. Der Digitale Zwilling ist daher ein essentieller Baustein zur Realisierung des Konzeptes Industrie 4.0.
Die Technik der MBD geht bei den digitalen Zwillingen heute schon so weit, dass die virtuellen Objekte direkt mit Sensordaten gekoppelt werden können, deren Messwertgeber in der realen Welt ihre Daten aufnehmen. Das gibt den Einflüssen auf die Simulation einen nicht mehr zu steigernden Realitätsbezug. Übersehene Kenngrößen, langfristige Entwicklungen oder unerwartete Fehlfunktionen können damit im Voraus erkannt und durch Anpassungen am Design oder Material vermieden werden.

Fazit: Begraben Sie die Technische Zeichnungen

Man mag es sich kaum noch vorstellen, wie früher Zeichner über riesigen Papierbögen gearbeitet haben und dabei umständlich mit Bleistift, Lineal, Tusche und Rasierklingen zu Gange waren. Dennoch: Der Sprung in die digitale Welt war bislang mit den 2D-Programmen a la AUTOCAD nur ein halbherziges Ausnutzen der neuen Möglichkeiten. Mit dem PMI-unterstütztem MBD kommen Sie dem intuitiven Entwickeln, Erfinden und kreativen Gestalten aber wesentlich näher. Zwar gibt es noch einige Hürden zu nehmen, bis MBD wirklich massentauglich ist. Aber angesichts der enormen Entwicklungen in den letzten 30 Jahren, ist der Durchbruch in dieser Sache heute schon absehbar.

 

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2019-02-06T13:37:48+00:00Februar 6th, 2019|Kommentare deaktiviert für Model Based Definition