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Wertschöpfung durch Simulation

Software-Anbieter fokussieren derzeit die Frage, wie sich die Entwicklung von Produkten und Anlagen frühzeitig unterstützen lässt. Dabei macht erst die Simulation digitale Modelle für die Industrie wirklich wertvoll. Das zeigten auch viele Exponate auf der diesjährigen Digital Factory.

Bild: Bentley Systems

Als vor rund 25 Jahren in der Automobilindustrie der Begriff ‘Digital Mock-up’ aufkam, hielten selbst Spezialisten den digitalen Zusammenbau eines kompletten Fahrzeugs als 3D-Modell noch für eine Langzeitvision. Tausende von Komponenten miteinander auch nur auf den Bildschirm zu bringen, dauerte Stunden. Heute gibt es leichtgewichtige Datenformate wie JT oder 3D-PDF, mit denen sich selbst Modelle von Großflugzeugen in Sekunden visualisieren lassen. Denn auch die Hardware und die Speichermedien haben sich in rasantem Tempo weiterentwickelt. Der Anwender kann virtuell in Modellen herumwandern, sie durchfliegen und sich jedes Detail ansehen. Bei entsprechender Datenaufbereitung sogar in Echtzeit und unter Berücksichtigung der Kinematik. 3D-CAD war die Grundlage, und die Methoden des Renderings, der Virtual Reality (VR) und der Augmented Reality (AR) sorgten dafür, dass die zunächst sehr technisch anmutenden Modelle heute von Videos und Fotos realer Produkte kaum noch zu unterscheiden sind. Neben CAD zur Modellierung war dafür das elektronische Management der Beziehungen zwischen Tausenden von Bauteilen und Baugruppen die Voraussetzung, das Produktdatenmanagement (PDM), das sich schon bald zum Produktlebenszyklus Management (PLM) ausdehnte. Denn die Daten wurden − je realistischer die Simulation, die sie erlaubten − umso interessanter für beinahe alle Bereiche eines Unternehmens und darüber hinaus.

Von der Geometrie zum Funktionsmodell

Spätestens seit dem letzten Jahr ist gewissermaßen amtlich, dass die Industrie zum Sprung in die nächste Revolution ansetzt. ‘Industrie 4.0’ ist ein Kernthema der Hightech-Strategie der Bundesregierung. Dahinter steht auch die Tatsache, dass vor allem eingebettete Software in die Produkte wandert und die Vernetzung mit dem Internet und anderen Netzen gestattet. Damit aber bekommt auch das Thema Simulation eine neue Dimension. Diesen Aspekt hat auch die Leitmesse Digital Factory innerhalb der Hannover Messe 2013 aufgegriffen. Software − also Steuerung, Bedienungsoberfläche, Sicherheit und Wartung − Elektronik in Form von etwa Aktoren und Sensoren sowie die gute alte Mechanik bilden in ‘intelligenten’ Systemen der heutigen Industrie eine Einheit. Diese Systeme gilt es so zu simulieren, dass ihre Funktion, Handhabung und Wirkungsweise Entscheidungen in Entwicklung und Produktion möglich macht. Das ist die nächste große Herausforderung. Im Mittelpunkt steht dann nicht mehr die 3D-Geometrie, sondern ein Funktionsmodell, das die Informationen aller Komponenten in sich vereinigt.

Kosteneinsparungen durch virtuelles Prototyping

Das verlangt zunächst, dass die sehr unterschiedlichen Modelle der immer weiter zusammen wachsenden Fachbereiche lernen müssen, sich zu ‘verstehen’. Nur wenn Funktionen, Logikschaltungen, mechanische Geometrie und Steuerung über ihre unterschiedlichen Formate hinweg miteinander kommunizieren können, lässt sich das spätere Produkt bereits auf dem Bildschirm oder auf der Leinwand virtuell testen. Und das ist die Voraussetzung dafür, dass die Simulation der Industrie einen konkreten Nutzen bringt: die Einsparung von realen Prototypen, die viel Geld und noch mehr Zeit verschlingen. Schneller mit dem Produkt in die Fertigung und dann auf den Markt zu kommen, das ist das Motiv für die Kunden der ITAnbieter, die Maschinen- und Anlagenbauer ebenso wie für Automobilindustrie und Luftfahrt, Hightech oder Konsumgüter. Führende Anbieter von CAD, CAE sowie PDM und PLM werden auf der Hannover Messe in diesem Jahr entsprechende Ansätze präsentieren.

Der Blick auf die digitale Produktionsanlage

Doch die Bandreite der virtuellen Entwicklungslösungen reicht noch weiter. Im Gegensatz zur Simulation des Produktes waren sich in den vergangenen Jahren die meisten Fachleute einig, dass diese Simulation kompletter Produktionsanlagen für die meisten Unternehmen noch in weiter Ferne liegt. Als Hindernisse wurden die Kosten der notwendigen Soft- und Hardware, der hohe Anpassungsaufwand sowie zu große Datenmengen ausgemacht, die eine akzeptable Performance auf absehbare Zeit auszuschließen schienen. Doch schneller als seinerzeit das 3D-Produktmodell rücken nun auch die großen Modelle von Anlagen und Fabriken und Prozessen in den Fokus der Simulation. ‘Big Data’ heißt ein noch junges Schlagwort. Jüngst hat etwa der Softwarekonzern SAP bekanntgegeben, dass seine gesamte Business-Suite ab sofort auf dem hauptspeicherresidenten Datenmanagementsystem Hana ausgeliefert werden kann. Das Ziel dahinter lautet: Rechenzeiten, die bei Zugriff auf Festplatten und relationale Datenbanken stundenlange Batch-Jobs erforderlich machten, auf wenige Sekunden, also auf Echtzeit zu reduzieren. Riesige Datenmengen können so in kurzer Zeit abgearbeitet werden. Das gilt allmählich auch für die ‘Datenberge‘ der Produktion und der Fabrikanlagen.

Per Laserscan in die Engineering-Software

Um eine Produktionslinie auf einen neuen Prozess oder auf ein neues Produkt umzustellen, nutzt die Automobilindustrie mittlerweile die Technik des Laser-Scannens ganzer Hallen. Aus Punktewolken werden auf dem Bildschirm 3D-Modelle der gesamten Anlage. Aber damit ist zunächst nur ein Bild verfügbar, mit dessen Hilfe auch abseits der Halle über Probleme diskutiert werden kann. Wenn solch ein 3D-Modell aber mit Produktmodellen von Auto und Förderband kombiniert und in Bewegung gesetzt wird, lässt sich der Produktionsprozess selbst simulieren, einschließlich etwaiger Kollisionen zwischen dem auf dem Förderband bewegten Fahrzeug und Teilen von Anlage oder Halle. Vielleicht sind solche Szenarien noch nicht in diesem Jahr Gegenstand von Messepräsentationen, aber darüber diskutiert wird bereits heute. Was auf jeden Fall weiter ins Zentrum rückt, ist die Simulation von Produkt und Produktion. Auch wenn die Halle mit ihrer Infrastruktur noch ausgespart bleibt, ist diese Aufgabe komplex genug. Wer hier die Nase vorn hat, hat gute Chancen, für die nächsten Jahre zu den Vorreitern im Wettbewerb zu zählen. Und es tummeln sich schon viele Lösungen, denn das Feld der möglichen Simulationen ist riesig, wie einige Beispiele zeigen:

  • Ein Förderband wird in Aktion gezeigt, mitsamt beförderten Flaschen, Kisten oder Fahrzeug-Komponenten. Stimmt die Anordnung der Rollen, sind die Wege sicher? Solche Fragen sind Thema auf den Ständen von CAD- und PLM-Anbietern und ihren Partnern.
  • Die Mischung aus Computermodell und realer Anlagenumgebung dient dazu, Funktionen abzusichern. Schaltet die Anlage ab, wenn ein Gegenstand oder eine Hand in einen Sicherheitsbereich gerät?
  • Für Ergonomie-Tests können 3D-Menschmodelle in Zusammenhang mit Produktionsanlagen eingesetzt werden. Erste Unternehmen setzen diese Methode schon in der Praxis ein.
  • Die Prüfung von Anlagen und den darin laufenden Prozessen lässt sich, wie in einem Computerspiel, durch das virtuelle Begehen von 3D-Modellen unterstützen
  • Bei der Simulation von Robotern wird geprüft, ob geplante Bewegungsabläufe in der Einsatzumgebung kollisionsfrei möglich sind. Damit hat sich eine neue Bedeutung des Ausdrucks ‘CAM‘ ergeben: ‘Computer Aided Motion’.

Simulation ist damit weder rein auf Geometrie noch die virtuelle Abbildung von Produkten beschränkt: Die Disziplin erweitert sich in Richtung multidisziplinäre Produkte. Und sie wird vor allem wichtig für die Überwindung von Barrieren zwischen Entwicklung und Produktion. Und für die Überwindung der Datensilos in Engineering, Produktionsplanung, Produktion, Fabrikplanung und Fabrikbetrieb. Je mehr es gelingt, in diesen Zusammenhängen mögliche Fehler durch Simulation und nicht erst durch Ausprobieren oder den Bau von Prototypen zu finden und im frühen Stadium zu korrigieren, desto schneller können Innovationen ihren Weg zum Kunden finden.

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