Alle sprechen von Industrie 4.0, nur wenige von Engineering 4.0. Dabei verändert die dezentral-vernetzte Produktion der Zukunft auch die CAD-Welt: Konstrukteure müssen ihre Daten für andere Abteilungen im Unternehmen und für Partner öffnen – und sogar für Endkunden. Doch vor Engineering 4.0 kommt 3.0: die Integration von Produktdatenmanagement und Simulation. Auch hier haben viele Unternehmen Nachholbedarf.

Bild: Dassault Systèmes Deutschland GmbH

Computer Aided Design unterliegt einem tiefgreifenden Wandel. Ging es früher darum, analog zur Arbeit am Zeichenbrett Konstruktionen zu entwerfen, nun allerdings digital und in drei Dimensionen, so wird CAD neuerdings immer mehr zur Drehscheibe eines ganzheitlichen Entwicklungsprozesses. Dabei wachsen CAD und Produktdatenmanagement zusammen. Eine weitere Säule eines solchen ganzheitlichen Prozesses ist die Simulation. Um Entwicklungszeiten zu verkürzen, muss ein Entwurf schon am Bildschirm beweisen, dass er später in der Realität die Anforderungen erfüllen wird. Dazu greift die Simulationsanwendung direkt auf die Konstruktionsdaten aus dem CAD-Programm zu. Auf Knopfdruck errechnet die Simulation, ob physikalische Eigenschaften wie Festigkeit oder Wärmeleitung einen sicheren Betrieb erlauben. Ein Beispiel: Autositze haben zum Teil Dutzende Motoren zur Sitzverstellung, die im Betrieb so heiß werden, dass sie mit Lüftern gekühlt werden müssen.

Durch eine Simulation der Luftströmung kann man den Sitz so umkonstruieren, dass die Lüfter entfallen. Das geht auf Knopfdruck. Die Konstruktion wird verändert, simuliert und erneut angepasst – bis die physikalischen Eigenschaften stimmen und eine für die Fertigung sinnvolle Konstruktion herauskommt. Die Integration von CAD, Datenmanagement und Simulation bringt viele Vorteile. Sie konsolidiert die Daten und beschleunigt Entwicklungszyklen. Dennoch scheuen immer noch Unternehmen davor zurück. Erfahrungen zeigen, dass sich ein Drittel der Unternehmen mit reinem CAD zufrieden gibt. Sie verzichten auf Simulationen, sind also auf teure Prototypen angewiesen, um die Funktion zu prüfen. Und die Datenverwaltung geschieht dabei häufig von Hand, eine Versionsverwaltung fehlt und es kommt zu Unklarheiten, welche Datei die aktuelle ist. Das wird sich ändern, weil globalisierte Märkte einen hohen Druck aufbauen, in allen Entwicklungsphasen schneller zu sein.

Ganzheitliches Systems Engineering

Teil dieser Transformation ist das modellbasierte Systems Engineering (MBSE), das für die Entwicklung komplexer und intelligenter Systeme immer wichtiger wird. Mit ‚Modell‘ ist hier nicht allein das optische Design gemeint, das man in einem CAD-Programm entwirft, sondern auch Mechanik, Elektrik und Software. Das Modell enthält alle Anforderungen und Spezifikationen für das spätere Produkt und koordiniert dessen gesamten Lebenszyklus, darunter auch Qualitätstests und Anforderungen ans Recycling. Unter dem Dach des Systems Engineering wachsen die Entwurfswerkzeuge zusammen.

Im Bild: Bernd Müller, freier Journalist
in Bonn.

4.0 öffnet Prozesse und vereint Ideen

Engineering 4.0 geht noch weiter. Es vereint die Ideen des System Engineering mit der Erkenntnis, dass sich Entwicklungsprozesse nicht nur technisch sondern auch organisatorisch öffnen müssen – in das Unternehmen hinein und über Unternehmensgrenzen hinaus. Ins Unternehmen, weil dort das traditionelle Abteilungsdenken immer noch weit verbreitet ist. Ein Beispiel: In manchen Firmen werden CAD-Entwürfe zur technischen Dokumentation vom Bildschirm abfotografiert. Das ist geradezu steinzeitlich, gibt es doch Programme, die so etwas automatisch mit assoziativer Kopplung an das CAD-Modell erledigen. Solche Medienbrüche findet man immer wieder; sie verhindern durchgängiges Engineering. Dabei ist das erst der Anfang. Denn in der Industrie 4.0 sind Lieferanten und Kunden natürliche Partner im Innovationsprozess. Sie greifen jederzeit in den Ablauf ein, etwa um Produkte zu individualisieren. Der Trend zur Losgröße eins scheint unaufhaltsam. So bietet ein Hersteller von Auflegern für Sattelzüge seinen Kunden die Möglichkeit, ihre Sattelzüge individuell zu konfigurieren. Der Clou: Diese Konfiguration wird automatisch in CAD-Daten übersetzt.

Es gilt zwar nicht für solche Sattelzüge, aber viele andere individualisierte Produkte werden künftig hochautomatisiert direkt aus den Konstruktionsdaten gefertigt, zum Beispiel mittels additiver Fertigung. Auf Seite der Lieferanten gibt es ähnlich weitreichende Entwicklungen. Dort sind neue Geschäftsprozesse denkbar, etwa ein Broker-Management, mit dem Konstrukteure den Kollegen bei ihren Lieferanten einen Ad-hoc-Zugang zu den Daten geben können. Der Konstrukteur beim Lieferanten kann die Daten des Herstellers anschauen und direkt in dessen Umgebung das Bauteil konstruieren, das er später zuliefern soll. Oder er kann Kommentare abgeben, wenn er einen Entwurf nicht für sinnvoll hält. Damit hält Open Innovation auch in die CAD-Welt Einzug. Beispiele für solche Kollaborationen gibt es bereits. So konstruiert ein Zulieferer für Türen und Antriebe von Aufzügen seine Produkte auf Basis der Daten des Aufzugherstellers. Und ein Fahrradhersteller lässt seine Rahmen von externen Designern entwerfen, gefertigt werden sie in Taiwan – und alle Beteiligten haben Zugriff auf dieselben CAD-Daten.

Auch für CAD-Arbeitsplätze gilt: Die Cloud kommt

Wie sieht der CAD-Arbeitsplatz eines Ingenieurs in fünf oder zehn Jahren aus? Ein Großteil der Arbeit wird zunächst weiterhin auf einem Desktop-PC stattfinden, besonders in kleinen und mittelständischen Unternehmen. Doch allmählich werden sich Cloud-Lösungen durchsetzen. Ingenieure werden branchen- und aufgabenspezifische Apps direkt aus der Cloud heraus von einem beliebigen Bildschirm aus starten: am Handgelenk, im Auto, im Smart Home, im Konferenzraum oder direkt an der Bearbeitungsmaschine. Immer wieder werden sie aber auch in die Welt der firmeneigenen Cave Automatic Virtual Environment abtauchen, um ihre Konstruktionen mit allen Sinnen zu erleben. Via App werden sie Feedback der Endkunden erhalten, das in ihre Entscheidungen einfließt.

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