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3D-basierte Produktentwicklung killt die Kosten im Werkzeugbau

21.07.2008
Schlüsselprozesse im Werkzeugbau und der Fertigung mit Techniken der virtuellen, 3D-basierten Produktentwicklung und Prozessplanung sowie flexibler 3D-basierter Kommunikation über Fachbereiche und Unternehmensgrenzen hinweg, eröffnen dem digitalen Werkzeugbau neue Wege, fördern die Innovationsaktivitäten und reduzieren die Durchlaufzeiten spürbar.

Einige Fallbeispiele erfolgreicher Unternehmen machen das zielgerichtete, schrittweise und an jeweils messbaren Erfolgskriterien orientierte Vorgehen deutlich. Sie sind Beispiele für eine nachhaltig wirkende Alternative zur bloßen Verlagerung von Prozessen in Billiglohnländer.

Die Herausforderungen aus Unternehmenssicht

Globale Wertschöpfungsketten bieten neue Möglichkeiten zur Nutzung weltweit verfügbarer Ressourcen, die für viele Unternehmensbereiche zur Standortfrage werden. Außer den logistischen Herausforderungen und den oft schwer absehbaren Folgen des Know-how-Transfers erfordern globale Prozesse für Fertigungsunternehmen jedoch auch nicht zu unterschätzende Anstrengungen hinsichtlich der Koordinierung von Produktentwicklungs- und Fertigungsteams über sprachliche und kulturelle Grenzen hinweg. Den Möglichkeiten, die sich durch IT-gestützte Prozesse und insbesondere die 3D-basierte, virtuelle Produkt-entstehung ergeben, kommt in diesem Zusammenhang eine immer wichtigere Rolle zu.

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Globale Märkte und immer spezialisiertere Markt-Nischen erzeugen einen immensen Innovationsdruck. Die schwierige Aufgabe, differenzierende, wirkliche, zugleich rentable und nachhaltige Innovation zu generieren, wird noch verschärft durch die hohe Anzahl von geforderten Produktvarianten bei immer kürzeren Produktzyklen. All diese Faktoren schlagen sich unmittelbar in der Fertigung nieder: Innovative Produkte erfordern in der Regel auch innovative Wege im Werkzeugbau, die beispielsweise durch neue Werkstoffe oder Fertigungsverfahren ermöglicht werden. Darüber hinaus ist eine höchstmögliche Flexibilisierung der weltweiten Fertigungs-Ressourcen erforderlich, denn Agilität ist der Schlüssel, um Rüst- und Umrüstzeiten zu verkürzen und Kosten zu senken.

Brutaler Kotendruck zwingt zu sofortigem Handeln

Zu den Problematiken Innovation, Agilität, Fokussiertheit, mit denen viele Fertigungsunternehmen kämpfen, kommt noch der immense Kostendruck hinzu. Dieser entsteht jedoch bei weitem nicht nur durch hohe Lohnstückkosten, sondern nicht zuletzt durch eine wachsende Anzahl von produkt- und prozessspezifischen Regularien wie derjenigen zum Produktrecycling, Umwelt- und Arbeitsschutzauflagen oder hinsichtlich audit-konformer Prozesse, und viele davon haben direkten Einfluss auf den Werkzeugbau.

Wenn Fertigungsunternehmen heute ihre Prozesse optimieren, handeln sie in der Regel gleichzeitig auf zwei Ebenen: einmal auf der Ebene der Prozesse selbst, also wie Information oder Wissen in optimaler Weise ausgetauscht werden sollten, um in der Wertschöpfungskette ein gefordertes Ergebnis in schnellstmöglicher, günstigster und sicherster Weise zu erreichen. Auf der Technologie-Ebene wird parallel dazu die Fähigkeit optimiert, an sich verändernde Anforderungen anpassen zu können – jetzt und in der Zukunft.

Datenbankgestützte Systeme sorgen für die Integrität

Folgende Methoden eignen sich, um auf beiden Ebenen gleichzeitig wirkungsvoll zu sein:

-Um die Prozesse des Werkzeugbaus in derselben Art wie alle anderen Prozesse des Unternehmens darstellen und analysieren zu können, stellt das IBM-CBM (Component Business Model) eine methodische Vorgehensweise zur Verfügung. Dabei wird jede beliebige Geschäftsaktivität hinsichtlich ihrer Kritizität oder ihrer Ressourcenallokation (sowohl finanziell als auch personell) abgebildet sowie unter anderem mit einem geeigneten Maßnahmenkatalog von Initiativen verknüpft.

-Verschiedene Studien und Richtlinien haben zum Ziel, die bestmögliche Nutzung von Produktentwicklungsdaten in der Betriebsmittelkonstruktion sicherzustellen, wie beispielsweise durch die Basisrichtlinie für die Konstruktion von Presswerkzeugen mit Catia V5, welche gemeinschaftlich vom Facharbeitskreis Betriebsmittelkonstruktion mit Catia der deutschen Automobilindustrie erstellt wurde (Audi AG, BMW Group, Daimler AG, Volkswagen AG). Ziel der Richlinie ist es, Modelle so zu strukturieren, dass die Verwendbarkeit entlang der Prozesskette sichergestellt wird. Auf diese Weise wird es möglich, einen Produktentwurf effizient im Kontext des Werkzeugbaus zu analysieren, wie beispielsweise hinsichtlich seines thermischen und mechanischen Verhaltens oder eventueller Kollisionen im Zusammenspiel von Werkzeug- und Handhabungsoperationen.

Der Informationsfluss und die Formen der Zusammenarbeit haben in den verschiedenen Produkt- und Prozessentwicklungsstadien sehr unterschiedliche Ausprägungen. Generell sind datenbankgestützte Systeme sehr gut in der Lage, die Integrität von Produkt-, Struktur-, Prozess-, und Metadaten in ihrer unterschiedlichsten Form zu gewährleisten, jedoch zwingt der Ansatz zu einem einzigen System, welches alle Anforderungen hinsichtlich Datenverwaltung und Prozesssteuerung erfüllen soll, zu meist inakzeptablen Kompromissen. Eine moderne PLM-Systemarchitektur, wie die von IBM durch das PDIF (Product Development Integration Framework) zur Verfügung gestellte, ist in der Lage, bestehende PLM-Anwendungen samt ihrer Datenbanken prozedural zu verknüpfen, sie durch neue Anwendungen zu erweitern und über die Zeit den jeweiligen Marktanforderungen flexibel anzupassen.

Einheitliche Programm-Oberflächen sichern eine reibungslose Teamarbeit

Eine wesentliche Voraussetzung für die effektive Zusammenarbeit von Teams ist die Nutzung von standardisierten Oberflächen und Methoden zur Problemanalyse und gemeinschaftlichen Entscheidungsfindung. Dies fängt schon an bei geeigneten Suchmechanismen über heterogene Datenbanken und -quellen. Im Ingenieursumfeld ist es weder trivial, geeignete Suchkriterien zu definieren, noch Interpretationssicherheit über die angebotenen Ergebnisse zu erlangen. Moderne Visualisierungswerkzeuge sind in der Lage, durch eine visuell optimierte Anzeige (Strukturbäume, 3D-Ansichten von Teilen und Navigation durch Baugruppenstrukturen) sowie durch Nutzung vorhandener Information, effektive Informationsanalyse, -austausch und Diskussionen in Echtzeit zu ermöglichen.

Die IBM-Lotus-Plattform, welche durch eine serviceorientierte Architektur offen und beliebig konfigurierbar, skalierbar sowie direkt in Catia und Enovia 3D-Live integriert ist, bietet in diesem Zusammenhang eine Fülle von Möglichkeiten wie audio- und video-gestützte Online-Konferenzen in 3D, wobei vorhandene IT-Systeme genutzt werden (wie beispielsweise durch integrierte Buddy-Listen) und in standardisierter Weise dargeboten werden, die auch unternehmens-übergreifende Zusammenarbeit ermöglichen.

Ingenieurwissen in nutzbare Vorgaben umwandeln

Die Möglichkeiten der Wiederverwendung von Ingenieurwissen sind gebunden an eine durchgehende Methodik der Dokumentation und Klassifizierung. Die Möglichkeiten, die sich durch neue, anwendungsgestützte Methoden ergeben, gewinnen jedoch zunehmend an Bedeutung. Ingenieur-Wissen sollte nicht nur beschrieben werden (wobei bei manchem in erster Linie der Zusatzaufwand für Dokumentation von kritischem Wissen gesehen wird), sondern direkt in Form von Design-Vorgaben und Anweisungen nutzbar gemacht werden.

Die CAD-Anwendung Catia Ingenieurwissen kann in Form von Regeln aufnehmen, um bei Folgekonstruktionsaufgaben korrektive Maßnahmen vorzuschlagen, um ein Standardbauteil (wie etwa eine Befestigung) schneller um die geforderte Anpassungskonstruktion zu ergänzen. So werden konstruktionsgetriebene Schwachstellen von vornherein vermieden und Unternehmensstandards eingehalten. Der Werkzeugbau als Schlüsselstelle zwischen Konstruktion und Fertigung nimmt in zahlreichen Prozessen eine Brückenfunktion ein.

Die konsequente Nutzung von 3D-basierter Information durch alle Prozessbeteiligten kann dabei einen entscheidenden Beitrag leisten, Rüstzeiten sowie Planungs- und Realisierungskosten zu minimieren. Die Daten sind über hochwertige Suchfunktionen schnell verfügbar. Durch das wirkungsvolle Zusammenspiel von 3D-Ansichten mit technischer Information, beispielsweise den Toleranzen, wird die gefundene Information interpretationssicher, und in Summe werden die Aufgaben des Werkzeugbauers in hohem Maße vereinfacht und beschleunigt. Ein Beispiel ist die Kommunikation von fertigungsrelevanter Toleranz- information direkt am 3D-Modell.

Die Digitale Fabrik ist der Oberbegriff für ein umfassendes System von digitalen Modellen und Methoden zum Zwecke der ganzheitlichen Planung, Simulation und 3D-Visualisierung der Fertigungsprozessabläufe sowie deren Steuerung und kontinuierlicher Optimierung (gemäß VDI-Arbeitskreis Digitale Fabrik).

Die Möglichkeiten umfassen alle Aspekte für die Anlagenoptimierung, angefangen bei der Betrachtung von Montage- beziehungsweise Fertigungszellen bis hin zum Materialfluss in der gesamten Fabrik. Der Nutzen erschließt sich über die intelligente datentechnische Verkettung von Produktgeometrie, Werkzeugen und dazugehörigen Fertigungsmitteln. Diese erlaubt effektive Analysen – so genannte Was-wäre-wenn-Szenarien – und deren Anpassungen, die kostspielige Fehler bei der Planung von Fertigungsanlagen und -prozessen zu vermeiden helfen.

Beim Umstieg auf 3D die Gesamtstrategie im Auge behalten

Aufgrund des Umfangs und der Reichweite von 3D-basierten Fertigungsprozessen empfiehlt sich ein schrittweises Vorgehen, jedoch mit einer Gesamtstrategie im Blick. Dabei ist die Identifikation und Auswahl der in der jeweiligen Unternehmenssituation geeigneten Prozesse von entscheidender Bedeutung. Motivierte und ausgebildete Power-User leisten einen wichtigen Beitrag dazu, schnelle und messbare Erfolge sicherzustellen, die dann Ausgangsbasis sind für die schrittweise Weiterentwicklung der übergeordneten Transformationsagenda zur Flexibilisierung und Effizienzerzeugung der Prozesse im Werkzeugbau.

Voraussetzung ist eine weitgehende Nutzung vorhandener IT-Ressourcen und deren Flexibilisierung über eine serviceorientierte Architektur. Dieses Vorgehen nutzt vor allem die Vorteile von Best-of-Breed-Anwendungen (in anderen Worten: den Effizienzgewinn aus deren nachhaltiger Verwendung) und reduziert damit den IT-Aufwand für Anwendungsbereitstellung, -training und -pflege spürbar. Gleichzeitig erhöht es durch die flexible Einbindung in eine serviceorientierte Architektur die Fähigkeit und Autonomie, zu gegebener Zeit neue Änderungen in der Anwendungslandschaft vorzunehmen, da die Prozesse dann nicht mehr in den Anwendungen verankert sind – oder eben nur zu einem geringeren Grad.

Die 3D-basierte Information bietet mehr als nur Geometrie

3D-basierte Information hat sich von der reinen Geometrie-Erzeugung hin zu einer effektiven und umfassend einsetzbaren Informationsform entwickelt – dies wurde vor allem ermöglicht durch neue Standardisierungsinitiativen sowohl hinsichtlich der Datenstruktur und der Fertigungsprozesse als auch der IT-gestützten Kommunikationsmodelle.

Der konsequente Einsatz von 3D im Werkzeugbau sowie seinen jeweils vor- und nachgelagerten Prozessen hat maßgeblichen Einfluss auf die Innovationskraft und Produktivität von Ressourcen gerade in so genannten Hochlohnländern, wie beispielsweise Deutschland. Eine Vorgehensweise, die gleichzeitig sowohl die Prozessebene als auch die IT-Ebene auf Basis einer serviceorientierten Architektur in Betracht zieht, stellt sicher, dass die Optimierungen im Werkzeugbau messbare Erfolge liefern und zugleich auf Nachhaltigkeit angelegt sind.

Neno Horvat ist im Bereich Marketing der IBM Deutschland GmbH in 70569 Stuttgart tätig.

Neno Horvat | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/digitalefabrik/cadcam/articles/137265/

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