Seit vielen Jahren sind Computer Aided Design (CAD)-Techniken mit der sehr dynamischen Weiterentwicklung der Branche untrennbar verbunden, und ihre Bedeutung hat mit jedem Jahrzehnt stetig zugenommen. Aus den Systemen, die in den ersten Ausgaben relativ einfach waren, weil sie im Grunde virtuelle Zeichenbretter bildeten, entstanden im Laufe der Zeit Pakete mit fortschrittlichen IT-Tools. Obwohl sie anfangs nur von ausgewählten Forschungsinstituten und den größten und am weitesten entwickelten Unternehmen genutzt werden konnten, wurden CAD-Systeme nach und nach immer beliebter, neuere und modernere Funktionalitäten wurden immer populärer und ihre Anwendung wurde immer einfacher. Die eigentliche Revolution fand jedoch erst im Zeitalter des schnellen Internets und von Industry 4.0 statt, da sie sich damals dynamisch in hochentwickelte, in PDM- und PLM-Klassensysteme integrierte Werkzeuge verwandelten, die neben der Möglichkeit, eine vollständige 3D-Darstellung des Produkts in einer virtuellen Umgebung zu entwickeln, im Grunde alle anderen Aktivitäten unterstützen, die mit dem allgemein verstandenen Design, der Konstruktion, dem digitalen Prototyping und der Vorbereitung von Daten für andere Phasen des Produktlebenszyklus zusammenhängen.
Der wichtigste Grund für die dynamische Entwicklung von Techniken im Zusammenhang mit dem computergestützten Entwurfs- und Konstruktionsprozess ist das ständige Bestreben der Unternehmen:
Moderne CAD-Systeme bieten auf diesem Gebiet ein breites Spektrum an Möglichkeiten, beginnend mit schnellen Varianzen über fortgeschrittene Berechnungen bis hin zu umfangreichen Möglichkeiten der Automatisierung von Routineoperationen und der Generierung von grundsätzlich nicht nur neuen Versionen des 3D-Modells, sondern sogar einer kompletten Konstruktionsdokumentation.
Es ist erwähnenswert, dass viele Unternehmen heutzutage, um sich den Herausforderungen des heutigen Marktes und des globalen Wettbewerbs zu stellen, Konzepte einer integrierten und virtualisierten Umgebung übernehmen, von denen es nicht mehr nur ein, sondern viele CAD-Systeme verschiedener Hersteller gibt, deren Benutzer über die ganze Welt verstreute Standorte nutzen und Daten in einem leistungsstarken System zur Verwaltung von Daten über alle Unternehmensprodukte speichern. Bei diesem Arbeitsbegriff ist nicht mehr nur die Klasse der Entwurfssysteme selbst von großer Bedeutung, sondern auch die Frage, wie die enormen Datenmengen, die diese Systeme während des Entwurfsprozesses erzeugen, verwaltet werden können. Damit die wichtigsten Voraussetzungen und Konzepte moderner Unternehmen (die neben der Verkürzung der Entwicklungszeit eines neuen Produkts auch lauten: Verbesserung der Qualität, Verkürzung der Lieferzeit und Senkung der Kosten) tatsächlich umgesetzt werden können, sind heute nicht nur fortschrittliche Konstruktionswerkzeuge, sondern auch eine effektive Verwaltung der Produktdaten erforderlich. Es ist auch wichtig, die Prozesse im Zusammenhang mit dem Umgang mit diesen Daten richtig zu gestalten und zu implementieren sowie allen Teilnehmern des Produktimplementierungsprozesses Zugang zu diesen Daten zu gewähren, so dass sie diese Daten jederzeit und im richtigen Kontext nutzen können.
Die Essenz computergestützter Designsysteme, die allgemein als CAD-Systeme bezeichnet werden, ist die digitale geometrische Modellierung, die darauf abzielt, die strukturelle Form des Produkts zu bestimmen. Mit anderen Worten, CAD-Systeme ermöglichen es, eine vollständige und detaillierte, dreidimensionale, virtuelle Darstellung des Produkts zu erstellen. Ein detailreiches 3D-Modell in einem sehr frühen Stadium der Produktentwicklung (vor der Erstellung eines physischen Prototyps oder Mock-ups) bietet viele Möglichkeiten. 3D-Modelle werden häufig verwendet, um Visualisierungen zu erstellen, um verschiedene Tests durchzuführen, wie z.B. die Überprüfung der Funktionsweise des Mechanismus, Kollisionen, Passungen, aber auch um Festigkeitsprüfungen und Berechnungen durchzuführen, die die richtige Auswahl von Materialien und Abmessungen derjenigen Elemente des Produkts ermöglichen, die mit Kräften belastet werden und z.B. die Sicherheit oder Haltbarkeit beeinflussen. Dadurch können wir mit Hilfe fortschrittlicher CAD-Systeme bereits in einem sehr frühen Stadium der Produktentwicklung eine Vielzahl von Aktivitäten und Simulationen durchführen, was ein viel besseres Verständnis des Produkts ermöglicht, d.h. die Erkennung und Beseitigung potenzieller Fehler, eine wesentlich bessere Optimierung des Designs, und all dies ist zu wesentlich geringeren Kosten und in viel kürzerer Zeit möglich.
CAD-Systeme sind heute in fast allen Branchen weit verbreitet, darunter Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Architektur und Bauwesen, Schwerindustrie und Maschinenbau, Bekleidung sowie Konsumgüter und Designprodukte. Aufgrund der dynamischen Entwicklung und Verbreitung innovativer Visualisierungstechniken wie VR (Virtual Reality) und AR (Augmented Reality) sowie Rapid Prototyping nimmt der Einsatz von CAD-Systemen in letzter Zeit stetig zu, nicht nur in der Industrie, sondern auch unter Nichtindustriellen, die in diesen Systemen neue Möglichkeiten entdecken, ihre Leidenschaften zu verwirklichen und Ideen in die Tat umzusetzen, die ohne diese Systeme nicht möglich gewesen wären.
CAD-Systeme gehören zu einer breiteren Kategorie von integrierten Fertigungssystemen, auch allgemein als CAx (Computer Aided x) bekannt, zu der neben CAD auch CAE (Computer Aided Engineering) und CAM (Computer Aided Manufacturing) Systeme gehören. Betrachtet man das Ganze aus einer breiteren Perspektive, so sind CAx-Systeme durch die Integration mit PDM-Modulen Teil von PLM-Systemen. All diese Werkzeuge bilden zusammengenommen als kohärentes Ganzes eine Informationsquelle über ein Produkt während seines gesamten Lebenszyklus und bilden ein spezifisches Backbone von Produktdaten jeder Organisation (Product Data Backbone).
Unter Berücksichtigung des Umfangs der Unterstützung für Ingenieurarbeiten und deren Weiterentwicklung können CAD-Systeme in Software unterteilt werden:[1]:
Low- END Software umfasst Werkzeuge, die die Erstellung zweidimensionaler Zeichnungsdokumentation erleichtern, die jedoch die Arbeit in einer dreidimensionalen Umgebung nicht (oder nur in sehr begrenztem Umfang) erlauben. Diese Werkzeuge sind aufgrund ihrer begrenzten Möglichkeiten relativ klein in der Anwendung, aber aufgrund ihres niedrigen Preises, ihrer Benutzerfreundlichkeit und ihrer geringen Hardware-Anforderungen werden sie häufig zur Erstellung weniger komplexer Zeichnungen und Diagramme verwendet. Die Gruppe dieser Werkzeuge kann das sehr beliebte Autocad-System und alle seine Klone umfassen.
Mid-Range-Softwareführt die Möglichkeit der räumlichen Modellierung ein, was die Möglichkeit bietet, das 3D-Modell im Produktentwicklungsprozess weiter zu verwenden, z.B. in Rechenprogrammen. Diese Systeme verfügen normalerweise nicht über umfangreiche und fortschrittliche CAM- und CAE-Module (sie können einige Funktionen in vereinfachter Form haben), bieten aber eine einfache Integration mit diesen Systemen anderer Hersteller. Auf diese Weise ist es möglich, mit Hilfe von Mid-Range-Systemen, die mit spezialisierten Modulen integriert sind, eine kohärente Umgebung zu realisieren, die neben dem Entwurfsprozess auch andere Funktionalitäten umfasst, wie z.B. die Vorbereitung des Codes für numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschinen oder die Durchführung verschiedener komplexer Simulationen, z.B. die Simulation des Kunststoffeinspritzens in eine Form. Diese Systeme verfügen oft über recht umfangreiche Möglichkeiten zur Automatisierung von Routinetätigkeiten und offene Programmier-Interfaces, die eine Software-Entwicklung ihrer Funktionalität ermöglichen. Die Kategorie der Systeme der mittleren Kategorie kann Systeme wie Inventor, SOLIDWORKS oder SolidEdge umfassen.
High-Eng-Software umfasst die fortschrittlichsten und komplexesten Systeme, die die Arbeit des Ingenieurs in allen Phasen des Entwurfs- und Konstruktionsprozesses unterstützen, vom ersten Entwurf über den Entwurf und die Berechnung der entworfenen Teile und Baugruppen bis hin zum Projekt- und Dokumentationsmanagement. Systeme dieser Klasse sind nativ in PDM/PLM-Software integriert, wodurch eine nahtlose und effiziente Teamarbeit sowie die Speicherung und gemeinsame Nutzung der in ihnen erstellten Daten gewährleistet ist. Außerdem verfügen High-End-Systeme über nahezu unbegrenzte Automatisierungsmöglichkeiten, offene Programmier-Interfaces ( meist in vielen Programmiersprachen) sowie Standards und Wissensmanagement. Daher entscheiden sich Organisationen häufig für die Schaffung hochspezialisierter Designplattformen auf der Basis von High-End-Systemen, die komplexe Designaktivitäten automatisieren und die Grundlage für den Aufbau von z.B. Produktkonfiguratoren oder Knowledge Based Engineering (KBE)-Systemen bilden, in denen das technische Wissen der Organisation implementiert wird. Aufgrund der Komplexität von High-End-Systemen ist es praktisch unmöglich, dass alle ihre Funktionalitäten an einem Arbeitsplatz oder auch nur in einer Abteilung des Unternehmens genutzt werden können. Daher werden sie meistens als spezialisierte Module angeboten, die dank der Möglichkeit, in einem Netzwerk zu arbeiten, in einer integrierten Umgebung koexistieren können, oder dank eines speziellen Lizenzmodells können bestimmte Funktionalitäten von den Benutzern gemeinsam genutzt werden. Es lohnt sich auch hinzuzufügen, dass in PLM-Systeme integrierte High-End-CAx-Systeme eine der wichtigsten Grundlagen des Industry 4.0-Konzepts sind. Zu dieser Klasse von Systemen gehören Creo Parametric, CATIA oder NX.
Beachten Sie bitte, dass es sich bei der angegebenen Klassifizierung um einen Richtwert handelt. Aufgrund der dynamischen Entwicklung von CAD-Programmen werden ihre Fähigkeiten ständig erweitert, und es kommt häufig vor, dass Low-End-Systeme mit der neuen Version reichhaltigere 3D-Modellierungsfähigkeiten erhalten und Mid-Range-Systeme um Funktionalitäten im Zusammenhang mit der Verwaltung der Konstruktionsdokumentation erweitert oder mit völlig neuen Modulen ausgestattet werden, was sie weniger anfällig für High-End-Systeme macht.
Im Ära des digitalen Übergangs und der sich rasch entwickelnden Informationstechnologie werden digitale Werkzeuge und Systeme in allen Branchen eingesetzt, um fast alle Aufgaben im Produktlebenszyklus zu unterstützen. Außerdem nimmt der Einsatz digitaler Werkzeuge bei Implementierungs- und Produktionsprojekten stetig zu, und heutzutage wird laut verschiedenen Quellen bei der Mehrzahl der durchgeführten Projekte Unterstützung in Form von Design- und Simulationswerkzeugen eingesetzt.
Auch die Rolle der CAD-Systeme, die sich perfekt in alle Ideen der digitalen Transformation einfügen, nimmt ständig zu. Mit dem zunehmenden Bedarf und Nutzen virtueller Modelle sowie der immer stärkeren Virtualisierung von Prozessen und Systemintegration entscheiden sich viele Organisationen für das Konzept der virtuellen Fertigung, um dem globalen Wettbewerb und den immer neuen Herausforderungen der Fertigungsindustrie gerecht zu werden. Im traditionellen, weit verbreiteten Ansatz wurden CAD-Systeme zur Erstellung von 3D-Modellen und darauf aufbauend zur Zeichnungsdokumentation verwendet, die der primäre Träger von Informationen über Produktdesign und Technologie war. Die Zeichnungsdokumentation wurde in einem Archiv auf gemeinsam genutzten Datenträgern, in einem ECM (Enterprise Content Management) oder einfachen PDM-Systemen gespeichert. Obwohl dieser Ansatz immer noch weit verbreitet ist, führt er zu zahlreichen Problemen im Zusammenhang mit der effektiven Verwaltung der Konstruktionsdokumentation, dem Änderungsmanagement sowie der effizienten Nutzung von 3D-Daten. Es ist auch sehr schwierig, die in Bauabteilungen verwendeten Systeme mit anderen Systemen zu integrieren, was zu einem sehr nachteiligen Phänomen des Siloeffekts (silo effect) führt. Infolgedessen können äußerst wertvolle Daten über das Produkt nicht von der gesamten Organisation genutzt werden. Daher entfernen sich die Organisationen allmählich von dieser Arbeitsweise und wenden sich einem integrierten Ansatz zu, bei dem 3D-Modelle, die durch eine Reihe von Attributen und Parametern beschrieben werden, die primäre Quelle für Produktdaten darstellen. Die Ingenieure führen alle Arbeiten in CAD-Systemen aus, die mit PLM-Systemen integriert sind, also unmittelbar im Kontext des Lebenszyklus. Alle Konstruktionsdaten sind von Anfang an mit dem Produktkontext verknüpft und stehen allen Mitgliedern des Konstruktionsteams zur Verfügung.
Viele Organisationen, insbesondere in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, verwenden seit langem CAD-Systeme verschiedener Firmen oder Systeme verschiedener Klassen, wie z.B. mechanisches CAD (mechanical CAD, MCAD) und elektrisches CAD (electrical CAD, ECAD), um ihre fortschrittlichen Produkte zu entwerfen und zu entwickeln. Infolgedessen stehen diese Unternehmen vor der schwierigen Herausforderung, CAD-Daten zu verwalten, die untereinander inkompatibel sind. Während des Produktentwicklungsprozesses werden riesige Datenmengen erzeugt, und um die Zeit für die Bereitstellung und Markteinführung eines neuen Produkts zu maximieren, ist eine kontinuierliche Zusammenarbeit zwischen den Mitgliedern des Implementierungsteams und die gemeinsame Nutzung von Daten erforderlich, so dass unabhängig von der Art der Daten eine konsistente Kooperationsumgebung erforderlich ist. Diese Unternehmen stehen daher vor der Herausforderung, Daten zu verwalten und zu kontrollieren sowie stets aktuelle und präzise Daten für diejenigen bereitzustellen, die sie zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigen.
Wenn man das Thema CAD-Datenmanagement oder im weiteren Sinne – Produktdaten- und Produktlebenszyklusmanagement – betrachtet, ist es von wesentlicher Bedeutung, dass man sich die wichtigsten Ideen in Bezug auf PDM- und PLM-Klassensysteme näher bringt. Diese Abkürzungen werden oft verwechselt und austauschbar verwendet, auch wenn ihre Bedeutung sehr unterschiedlich ist. Der Grund dafür ist, dass es keine klare Abgrenzung zwischen ihnen gibt und es zudem vorkommt, dass beide Arten von Systemen in ähnlicher Weise verwendet werden. Dennoch richten sich PLM-Systeme auf den gesamten Produktlebenszyklus aus und decken ein viel breiteres Spektrum an Daten ab, während PDM-Systeme meist zur Verwaltung von Daten verwendet werden, die während des Design- und Konstruktionsprozesses entstehen, d.h. in erster Linie 3D-Modelle und zugehörige Zeichnungen. Aus historischer Sicht sind Produktdatenmanagementsysteme eine Folge der weit verbreiteten Nutzung von CAx-Systemen und entstanden aus der Notwendigkeit der strukturierten Erfassung, gemeinsamen Nutzung und Wiederverwendung der riesigen Menge wertvoller Daten, die während des Konstruktionsprozesses erzeugt wurden. Im Gegensatz dazu ist Software für Product Lifecycle Management (PLM) die nächste Stufe dieser Entwicklung und eine natürliche Folge von PDM. Während PDM-Systeme durchaus in der Lage sind, den Lebenszyklus der Konstruktionsdokumentation und der damit verbundenen Dokumente und Prozesse zu verfolgen, ist es unmöglich, den gesamten Produktlebenszyklus von ihrer Ebene aus zu überwachen. Wenn also aus anderen Systemen keine Informationen über den aktuellen Stand des Produktlebenszyklus vorliegen, können die in der PDM-Datenbank gespeicherten Daten schnell veraltet sein.
PDM ist damit Teil einer größeren Architektur, die neben der Konstruktionsdatenverwaltung das gesamte Spektrum der Systeme abdeckt, die für das Anforderungs- und Projektmanagement, das Produktportfoliomanagement oder das Produktionsprozessmanagement eingesetzt werden. All diese Applikationen, die in einer kohärenten Umgebung kombiniert und integriert sind, nennen wir PLM. Außerdem decken PLM-Systeme im Gegensatz zur PDM-Reihe auch jene Phasen im Lebenszyklus des Produkts ab, die nach dem Verlassen des Werks beginnen, wie z.B. Service, End-of-Life oder Umweltaspekte. Zusätzlich kann PLM einen Bereich abdecken, der über die Organisation selbst hinausgeht, z.B. die Verwaltung von Daten zu Lieferanten oder Auftragnehmern. Daraus lässt sich schlussfolgern, dass das PDM-System Teil des PLM ist, und während Ersteres nur die Projektentwicklung unterstützt (normalerweise nur die Phase der Erstellung von Design- und Konstruktionsunterlagen), unterstützt das PLM umfassend alle Aktivitäten im Zusammenhang mit dem Produktlebenszyklusmanagement von der Konzeption der Produktidee bis zur Außerbetriebnahme des Produkts (from dawn to dusk).
Das Windchill-System, das von PTC geliefert wird, ist das führende System der PLM-Klasse. Seine Architektur ist vollständig netzwerkbasiert, was bedeutet, dass es die Philosophie „überall designen, überall herstellen“ voll unterstützt. (Design anywhere – manufacture anywhere, DAMA). Dadurch wird sichergestellt, dass weltweit verteilte Teams effektiv zusammenarbeiten können, so dass sie alle relevanten Bereiche im Zusammenhang mit einem umfassenden Produktlebenszyklus-Management von jedem Standort aus bearbeiten können. Vom Produktdatenmanagement über BOM bis hin zu Change Management und Configuration Management. Windchill unterstützt auch Bereiche im Zusammenhang mit dem Management der Produktionsplanung, der Entwicklung von Produktionsanweisungen sowie dem Qualitätsmanagement, wodurch eine kontinuierliche Verbesserung der Produktqualität sowie die Reduzierung von Produktionsausfallzeiten ermöglicht wird.
Das Herzstück aller Komponenten der PLM-Familie von PTC ist Windchill PDMLink. Dieses Modul ermöglicht die umfassende Verwaltung der kompletten Stückliste, d.h. der kompletten Struktur des komplexen Produkts, einschließlich mechanischer, elektrischer oder Software-Daten. Was sehr bedeutend ist, Windchill PDMLink unterstützt einen sehr flexiblen Ansatz für Materiallistenobjekte, der es erlaubt, CAD-Daten von Objekten zu trennen, die keine grafische Darstellung haben, wie z. B. Kleber, Heftklammern, Aufkleber usw., so dass Sie diese ohne zusätzliche Behandlungen in die Liste aufnehmen können.
Windchill verfügt auch über umfangreiche Fähigkeiten im Bereich der Erstellung vollständig angepasster Arbeitsabläufe und ermöglicht eine praktisch unbegrenzte Automatisierung. In Kombination mit den umfangreichen Funktionalitäten zur Verwaltung von Geschäftsrollen und Projektteams eröffnet es außergewöhnliche Möglichkeiten, selbst komplexeste Prozesse abzubilden, Verantwortlichkeiten und Rechte präzise zu definieren und dadurch eine hohe Optimierung und Effizienz zu erreichen.
Was sehr wichtig ist, Windchill’s offene Architektur ermöglicht eine einfache Integration in bestehende Systeme, und sein hochgradig konfigurierbares und modulares Design macht es zu einem Tool, das sowohl für große als auch für kleine Unternehmen ideal ist.
Eine der wichtigsten Möglichkeiten, die das Ökosystem von PTC bietet, ist die konsistente Integration mehrerer CAD-Systeme in eine einzige integrierte PLM (Multi-CAD)-Umgebung, ohne Abstriche und negative Folgen für die Anwender oder einen Rückgang der Produktivität. Windchill bietet ein fortschrittliches Modul zur Integration des Workgroup Managers, nach dessen Installation Sie viele verschiedene CAD-Systeme im PLM-System registrieren können, wie z.B. CATIA, NX, SOLIDWORKS oder Autocad. Der Workgroup Manager sorgt für eine nahtlose Integration des neuen CAD-Systems, indem er der Benutzeroberfläche neue Befehle hinzufügt, die es dem Benutzer ermöglichen, in der PLM-Umgebung zu arbeiten. Als Ergebnis hat der Anwender die Möglichkeit, im PLM-System zu arbeiten, ohne das CAD-System mit einem Gefühl der nativen Integration verlassen zu müssen. Durch die Multi-CAD-Integration ist es möglich, CAD-Daten vollständig zu verwalten, unabhängig davon, in welchem System sie erstellt wurden. Daher können wir mit Hilfe von PLM-Systemarbeitsbereichen, in denen Entwicklungsaktivitäten und Concurrent Engineering in verteilten Teams durchgeführt werden, vollständige Materiallisten erstellen, die Objekte aus vielen Systemen enthalten werden. Dadurch erreichen wir Flexibilität und können uns voll und ganz auf die Verbesserung des Designs unseres Produkts konzentrieren, ohne dass wir uns auf Fragen im Zusammenhang mit IT-Tools konzentrieren müssen.
Es ist unmöglich, das Thema der MCAD-Datenverwaltung in einer PLM-Umgebung in einem Artikel zu erfassen. Es gibt viele weitere Herausforderungen und Aspekte, vor allem, wenn wir beginnen, sie im Kontext eines bestimmten Unternehmens zu analysieren. Es gibt viele verschiedene CAD-Systeme, die von Unternehmen austauschbar oder ergänzend eingesetzt werden. Jedes System hat seine Stärken und Schwächen, so dass Organisationen in vielen Fällen gezwungen sind, unterschiedliche Lösungen zu verwenden, um ihre Geschäftsziele zu erreichen. In jedem Fall ist es jedoch äußerst wichtig, in der Lage zu sein, solche heterogenen Umgebungen effektiv zu verwalten und gleichzeitig eine hohe Leistung für alle Benutzer zu gewährleisten. Moderne Systeme der PLM-Klasse, wofür PTC Windchill ein perfektes Beispiel ist, ermöglichen die effektive Verwaltung von Daten, die in vielen CAD-Systemen erstellt wurden, in einer zusammenhängenden Umgebung. Dadurch können Organisationen die Möglichkeiten des PLM-Systems voll ausschöpfen, so dass sie effizienter arbeiten können und viel zuversichtlicher in ihre Zukunft blicken können.
Die Implementierung eines PLM-Systems und seine Integration mit bereits im Unternehmen vorhandenen Systemen ist eine komplexe Aufgabe, aber der endgültige Effekt ist es wert, Zeit und Geld zu investieren. Darüber hinaus gibt es Organisationen, die Ihnen bei dieser Herausforderung umfassend helfen können. Wenn Sie auf der Suche nach einem Geschäftspartner sind, der Dienstleistungen im Bereich der PLM-Systemimplementierung und -vereinheitlichung mit der Multi-CAD-Umgebung anbietet, oder wenn Sie mit dem Problem der Integration von CAD-Anwendungen mit aktuellen PDM- oder PLM-Systemen kämpfen – nehmen Sie Kontakt mit uns auf!
[1][2] Duda J. [2016], Zarządzanie rozwojem wyrobów w ujęciu systemowym, Politechnika Krakowska, Kraków. (Duda J. [2016], Produktentwicklungsmanagement in einer systemischen Perspektive, Technische Universität Krakau, Krakau).
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