Produktentstehungsprozess Diese Trends beeinflussen die Zukunft der CAD-Software

Mit welchen Problemen sich CAD-Anwender im Moment herumschlagen, wo verborgenes Potenzial im Produktentstehungsprozess brach liegt und wohin die Reise der CAD-Software gehen wird, lesen Sie in diesem Beitrag.

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Quo vadis CAD-Software? Dieser Frage gehen wir in unserem Artikel nach.
Quo vadis CAD-Software? Dieser Frage gehen wir in unserem Artikel nach.
(Bild: ©FERNANDO - stock.adobe.com)

Der Konstrukteur aus den 50er Jahren, der in mühevoller Handarbeit mit Stift und Papier am Reißbrett seine Zeichnungen erstellt hat, hat sich vielleicht häufig gewünscht, es möge doch endlich jemand etwas erfinden, was ihm die tägliche Arbeit erleichtert. Einen Schritt in diese Richtung, eigentlich den ersten großen Schritt vom Zeichenbrett zum Computer, ging es dann in den 70er-Jahren: Dass sich CAD-Software in dieser Zeit erstmals in der Breite durchsetzen konnte, lag an universeller Software. Damit war es auch Anwendern ohne Programmier-Know-how möglich, von der Technologie zu profitieren. Im März 1995 veröffentlichte Solidworks dann die gleichnamige 3D-CAD-Software. Sie zeichnete sich durch die einfache Bedienung aus und ermöglichte es mehr Ingenieuren als je zuvor, die Vorteile der 3D-CAD-Technologie zu nutzen.

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Aktuell, so glauben zumindest Experten, steht der nächste Technologiesprung bevor: und zwar „CAD in the cloud“. Was genau das bedeutet und welche weiteren Trends und Entwicklungen abzusehen sind, wollte konstruktionspraxis u.a. von Dassault Systèmes, Siemens Digital Industries Software und PTC wissen.

Die Rolle der CAD-Software

Heute ist CAD-Software aus dem Alltag von Produktentwicklern und Konstrukteuren nicht mehr wegzudenken. Ihre Rolle im Produktentstehungsprozess ist dabei sehr zentral. „Der Konstrukteur steht ganz am Anfang der Produktentstehungsprozesskette und definiert zwei Drittel der späteren Produkteigenschaften. Sowohl die Funktionalität als auch die Effizienz der verwendeten CAD-Software spielen dabei eine sehr große Rolle“, erläutert Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack vom Lehrstuhl für Konstruktionstechnik KT der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.

Herausforderungen im Produktentstehungsprozess

Doch aufgrund stetig steigender Anforderungen an die Produktentwicklung müssen Konstrukteure und Produktentwickler bereits bei der Produktentstehung umdenken, um Prozesse zu straffen und effizienter zu gestalten. Die Herausforderungen, denen Unternehmen aktuell gegenüber stehen, sind vielfältig:

  • Steigender Zeit- und Kostendruck, schnelle Time-to-Market
  • Verteilte Entwicklungsteams, die auf eine Datenquelle zugreifen sollen (Single source of truth)
  • Datenaustausch/PDM
  • Produkte werden komplexer, individueller und wandeln sich zunehmend in Richtung Mechatronik

Von der virtuellen zur digitalen Produktentwicklung

Zum Glück gibt es Methoden und Wege, diese Herausforderungen zu meistern. Hier kommen die Methoden des Digitalen Engineerings ins Spiel.

Digitale Durchgängigkeit über alle Disziplinen und Fachbereiche ist heute ein Muss. Nicht nur um abteilungsübergreifend zusammenzuarbeiten, sondern wie wir an der aktuellen Situation sehen, auch, um von überall aus zu arbeiten und dabei immer auf aktuelle Daten zugreifen zu können.

Uwe Burk, Vice President Customer Role Experience Euro Central, Dassault Systèmes

Seit einigen Jahrzehnten wird bereits erfolgreich virtuell, computerunterstützt mit CAD-Software gearbeitet. Das, was bisher mit CAD gemacht wurde, wird als virtuelle Produktentwicklung bezeichnet. Wenn heute von digitaler Produktentwicklung die Rede ist, so ist damit die datengetriebene Produktentwicklung gemeint.

Dabei geht es um die Integration von Daten aus Bereichen, die der Produktentwicklung zeitlich nachgeschaltet sind. Dies können Daten aus dem Fertigungsgeschehen sein, die sich auf vergebene Toleranzen auswirken oder auch Daten aus der Produktnutzung, die über virtuelle Sensoren für mehr Produktnutzen sorgen. Dieses Wissen kann beispielsweise dazu genutzt werden, um künftige Produkte langlebiger zu konstruieren.

So hat PTC ein neues Datenmodell mit virtuellen Sensoren eingeführt, das durch die Thing-Worx-Cloud mit realen Sensoren verknüpft wird. Damit werden Informationen aus dem Betrieb der fertigen Produkte in Echtzeit mit dem digitalen Modell in der Entwicklung verknüpft, also dem anderen – realen – Teil des Zwillings.

CAD-Daten erfinden sich neu

Besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang naturgemäß der CAD-Software und den CAD-Daten zu. „Wenn man das Digital Engineering als durchgehende digitale Entwicklung von Produkten und der umfassenden Abbildung auch des Verhaltens der jeweiligen Komponente oder Maschine, inklusive aller dafür benötigten Bausteine wie Mechanik, Elektronik, Elektrik, Software inklusive der Automatisierungskomponenten versteht, dann bildet CAD den Kern dieses Ansatzes, der auch als Digitaler Zwilling des Produktes beschrieben werden kann“, so Peter Scheller, Business Development Consultant im Pre-Sales bei Siemens Digital Industries Software.

Drüber hinaus erfahren 3D-CAD-Daten im Hinblick auf Industrie 4.0 ganz neue Wirkungsweisen im Umfeld von AR und VR oder der Echtzeitdaten aus der IoT-Welt, die über die digitalen Produktrepräsentanten, also den Digitalen Zwilling, zur Optimierung der Produkte verwendet werden können. Denn die 3D-CAD-Daten bringen die mechanischen Eigenschaften aus der Produktentwicklung mit und werden mit weiteren Informationen angereichert, um damit einen digitalen Zwilling der Produkte abbilden zu können. Sie fungieren also als Bindeglied zwischen den verschiedenen Entwicklungsdomänen.

Renaissance der CAD-Software

Auch bei PTC erlebt man, wie CAD-Experte Christoph von Andrian-Werburg sagt, seit zwei Jahren eine Art CAD-Renaissance. „In den Anfängen des parametrischen 3D-CAD mit Pro/Engineer in den 90ern war die Begeisterung riesig, da es möglich war Konstruktionssysteme mit Volumengeometrie zu erstellen. Die bislang führende Zeichnung war quasi ein Abfallprodukt. Danach wurde – einfach gesprochen – über Jahre hinweg zwar nur noch optimiert, jedoch haben die Potentiale neuerer Technologien wie das (I)IoT oder die erweiterte Realität den Stellenwert einer guten CAD-Lösung vor allem in den letzten zwei Jahren drastisch erhöht.“

Wo noch verborgenes Potenzial der CAD-Software liegt

Nahezu jedes Unternehmen im deutschen Maschinenbau setzt mittlerweile ein etabliertes 3D-CAD-Werkzeug ein. Dennoch sind längst nicht alle Potenziale gehoben. Folgende Themenbereiche haben laut den CAD-Experten noch Luft nach oben:

  • Simulation und Optimierung
  • Datenmanagement und -austausch
  • Künstliche Intelligenz
  • Cloud Computing
  • Mechatronik
  • Konfigurationsmanagement

Simulationsgetriebene Entwicklung

Um die Herausforderungen des Marktes zu meistern, müssen Möglichkeiten zur Verkürzung der Entwicklungszeit geschaffen werden, ohne dabei an Produktqualität einzubüßen. Hier kommen Computer Aided Engineering und Simulation ins Spiel. Dabei hat Simulation im Produktentstehungsprozess eine Doppelfunktion inne:

  • Zum einen kann sie in den ersten Designphasen die frühe Entscheidungsfindung unterstützen,
  • zum anderen dient sie in den späteren Phasen zur Validierung einer Konstruktion.

In validierender Funktion ist Simulation in der Industrie bereits weithin verbreitet. Doch den größten Beitrag zu mehr Zeit- und Kosteneffizienz leistet Simulation in den frühen Entwicklungsphasen. Damit hat diese Entwicklung auch Einfluss auf die CAD-Software. Denn wie Prof. Wartzack dazu erläutert, geht es heute bei CAD-Software auch darum, wie komfortabel und effizient Drittsysteme wie integrierte FEM-Berechnungen angesprochen werden. „Mit manchen CAD-Tools lässt sich mittlerweile sogar die frühe kreative Entwurfsphase unterstützen“, so Prof. Wartzack. Das Stichwort hier heißt Live-Simulation.

Auch bei Dassault Systèmes kommt der Simulation eine bedeutende Rolle zu, wie Burk ausführt: „Angetrieben wird dies unter anderem durch das Thema Nachhaltigkeit, da Unternehmen verpflichtet sind, alle verwendeten Materialien zu kennzeichnen oder nachzuweisen, wie Produkte am Ende ihres Lebenszyklus entsorgt werden können.“ Wenn es etwa um den ressourcenschonenden Einsatz von Material geht, lassen sich mit Simulationsanwendungen schnell und kosteneffizient Lösungsvorschläge erarbeiten, die evaluiert werden können – noch bevor das physische Bauteil oder die Baugruppe hergestellt wurde.

Künftig wird die direkte Kopplung der Solidworks-Desktopsoftware mit der 3D-Experience-Plattform das Spektrum der Optimierungsmöglichkeiten erweitern, denn dem Solidworks-Anwender stehen dann auf Simulia basierende Simulationswerkzeuge zur Verfügung.

Datenmanagement und Datenaustausch

Enormes Potenzial liegt laut PTC im Bereich des Datenaustauschs. Denn Christoph von Andrian-Werburg, CAD-Experte bei PTC, sieht den hauptsächlichen Einsatz von CAD nach wie vor als 3D-Zeichenbrett. Daraus resultierend würden alte Sorgen wie der Datenaustausch zwischen verschiedenen Formaten bestehen bleiben.

Was ist das 3D-Mastermodell?

Die 3D-Mastermodelle ermöglichen die Integration von Informationen aus verschiedenen Autorensystemen und fungieren als zentrale Informationsträger in Entwicklungsprojekten. Die Anbindung an ein PDM-System stellt Funktionalitäten wie Elementverwaltung und Privilegienverwaltung zur Verfügung.

Abhilfe schafft hier zum Beispiel der 3D-Master: Das ist ein vollständig beschriebenes Produktmodell, das neben der beschreibenden 3D-Geometrie auch die Integration aller Fertigungsinformationen (PMI) nach den „Model Based Definition“-Standards enthält. Die Technologie ermöglicht damit die Realisierung einer papierlosen Fertigung auf Basis von 3D-CAD-Modellen.

Sobald dann aber das CAD-System nicht mehr nur als Zeichnungsersatz verwendet wird, verschwindet diese Sorge zunehmend, so von Andrian-Werburg. Dies bedeute aber auch ein Umdenken in der Verwendung: das CAD-Modell muss dann als echtes Mastermodell mit allen relevanten Informationen für die Weiterverwendung und aufgebaut als Funktionsmodell für die Simulation erstellt werden. Die Mehrarbeit, die laut Scheller damit verbunden ist, lohnt sich später: „Da die Informationen in der Prozesskette später im CAM- und CMM-Prozess automatisch ausgewertet werden können, verkürzt sich der Gesamtablauf.“

Es ist wichtiger, dass die CAD-Software an die Prozesse in den Unternehmen angepasst werden kann, als dass sich die Prozesse an die CAD-Software anpassen müssen.

Prof. Dr.-Ing. Sandro Wartzack, FAU Erlangen-Nürnberg.

Prof. Wartzack sieht in diesem Zusammenhang noch einen Trend, der besonders für kleine und mittelständische Unternehmen interessant sein dürfte: das Zusammenspiel zwischen PDM- und CAD-System. Dabei geht er davon aus, dass sich nicht die direkte Integration, sondern die Kopplung über Schnittstellen durchsetzen wird. "Gerade das verteilte globale Zusammenarbeiten der Entwicklungsinstanzen setzt voraus, dass diese Prozesse auch über CAD-PDM sehr gut abgebildet werden können", so Prof. Wartzack. Das Zusammenspiel von CAD-Systemen und weiteren Produktentwicklungstools bedarf leistungsfähiger Schnittstellen wie Step.

Künstliche Intelligenz erleichtert die Arbeit

Künstliche Intelligenz begegnet uns schon länger im Alltag, ohne dass es uns immer bewusst ist: bei der Wettervorhersage, bei der Internetsuche, als virtuelle Assistenten in Chatbots, bei der Sprachübersetzung oder in der Bilderkennung. Die Künstliche Intelligenz als Werkzeug der Digitalisierung soll große Potenziale zur Verbesserung der Effizienz von Geschäftsprozessen und zur Entwicklung neuer Dienstleistungen oder Produkte bieten. Auch die CAD-Anbieter integrieren Künstliche Intelligenz, um dem Konstrukteur die Arbeit zu erleichtern.

Dabei wird KI in CAD-Software aktuell auf zwei Arten eingesetzt:

  • Bei Siemens Digital Industries Software wird Machine Learning eingesetzt, um die Usability der Software zu verbessern. „Die Bedienung der Programme, die Unterstützung des Anwenders bei seiner täglichen Arbeit, birgt aus unserer Sicht durch den Einsatz neuer Technologien wie dem „Maschine Learning“ noch große Potentiale zur Effizienzsteigerung.“ Mit dem Adaptive UI in NX lernt das Programm die Anwendung der verschiedenen Befehle und bietet über die Zeit nur noch die Befehle an, die logisch erscheinen. Auch fällt laut Scheller in Betracht, welchen Detailierungsgrad ich als Anwender in welchem Prozessschritt benötige und wie ich diese Informationen angeboten bekomme. Die konventionellen Konstruktionsvorgehensweisen werden zukünftig von intelligenten Assistenten unterstützt werden, sodass Routinearbeiten schneller und effizienter zu erledigen sind.
  • Mit Creo 7.0 von PTC werden zwei neue Lösungen angeboten: Generative Design für den Desktop und in der Cloud. Die Cloud-Lösung verknüpft mehrere Randbedingungen, Materialien, Lasten und Fertigungsvorgaben und erstellt damit Design-Vorschläge für den Konstrukteur. „Ähnlich wie bei den verschiedenen Stufen im autonomen Fahren hat PTC mehrere Stufen der künstlichen Intelligenz in der Produktentwicklung definiert: von Stufe eins – Topologieoptimierung – bis hin zum selbstlernenden Konstruktionssystem“, erläutert von Andrian-Werburg.

Was ist Künstliche Intelligenz, Machine Learning und Deep Learning?

Allgemein gesprochen hat KI das Ziel, menschliches Entscheidungsverhalten durch Software oder Hardware zu automatisieren. Im Vordergrund steht die Simulation menschlicher Intelligenzprozesse durch Maschinen. Zu diesen Prozessen gehören der Erwerb von Informationen und Regeln für die Verwendung der Informationen, um ungefähre oder endgültige Schlussfolgerungen zu ziehen und die Selbstkorrektur. Man spricht von Künstlicher Intelligenz, wenn ein Computer auf eine einfache Art anspruchsvolle Probleme löst, für deren Lösung eigentlich die Intelligenz eines Menschen benötigt wird. Dabei wird unterschieden zwischen schwacher und starker KI.
- Bei der schwachen KI handelt es sich um ein System, das für eine bestimmte Aufgabe entwickelt und trainiert wurde. Ein Beispiel sind persönliche Assistenten wie Apples Siri.
- Die starke KI, auch als künstliche allgemeine Intelligenz bekannt, besitzt verallgemeinerte menschliche kognitive Fähigkeiten. Sie soll das menschliche Verhalten mechanisieren. Sie kann bei ungewohnten Aufgaben eine Lösung finden, ohne dass ein menschliches Eingreifen erforderlich ist.

Das Maschinelle Lernen ist ein Teilbereich der KI und hat das Ziel, statistische Zusammenhänge, auch bekannt als Muster, in sogenannten Trainingsdaten zu erkennen und somit zu „erlernen“. Anschließend können diese Muster auf weitere Daten zur Entscheidungsfindung angewendet werden. Maschinelles Lernen wird meist dann eingesetzt, wenn man komplexe Probleme nicht durch Logik und Regeln beschreiben und somit keine klassischen Algorithmen implementieren kann.

Beim sogenannten Deep Learning lernt der Algorithmus anhand von Beispielen, allerdings werden hierbei die Merkmale oder Attribute, auf deren Basis gelernt wird, nicht explizit vorgegeben. Stattdessen ermittelt die KI die Merkmale selbst. Somit handelt es sich um ein spezifisches Teilgebiet des Maschinellen Lernens, das sich durch komplexe Lösungsmethoden auszeichnet.

Die Möglichkeiten der Cloud

Die Cloud - lange war dieser Begriff im deutschen Maschinen- und Anlagenbau mit Skepsis besetzt. Vor allem die Frage nach der Sicherheit der Daten und des geistigen Eigentums standen im Vordergrund. Heute scheint sich diese Einstellung verändert zu haben, das Vertrauen in die Technologie ist gewachsen. Schließlich bringt sie auch enorme Vorteile mit sich, zum Beispiel:

  • Skalierbarkeit
  • Sicherheit
  • Wirtschaftlichkeit: keine Investitionskosten für Hardware, reduzierter Aufwand für Administration
  • Zuverlässigkeit
  • Geräte-, zeit- und ortsunabhängiger Zugriff auf Ressourcen
  • keine Kopien, nur eine „Single-Source-of-Truth

Im Falle von Software as a Service erhält der Nutzer Zugang zu Anwendungsprogrammen, die auf der Infrastruktur des SaaS-Anbieters betrieben werden. In der Regel erfolgt der Zugriff über einen Webbrowser. Die Vorteile für den Nutzer sind zahlreich: Da die Anwendungen auf der Hardware des Dienstleisters betrieben werden, sind diese beim Zugriff immer auf dem neuesten Stand. Auf das Endgerät des Nutzers müssen also keine Installations- oder Aktualisierungsdateien heruntergeladen werden. Das bedeutet auch, dass der Zugriff auf die Anwendungen und die damit verbundenen Daten nicht an ein spezifisches Endgerät gebunden sind: So kann der Nutzer seine Arbeit beispielsweise auf einem Büro-Computer beginnen und auf der Dienstreise im Zug an Smartphone oder Tablet fortsetzen – am selben Projekt und mit derselben Software.

Bei PTC wird "CAD in the Cloud" als größtes Trendthema betrachtet: „Mit der Akqusition von Onshape, der nativen Cloud-Plattform für CAD, haben wir die nächste Generation von CAD bereits definiert“, so von Andrian-Werburg.

Diesen Trend bestätigt auch Burk: „Eine der derzeit dringlichsten Aufgaben ist es, eine Umgebung zu schaffen, die ortsunabhängiges Arbeiten ermöglicht. Der Cloud kommt dabei eine zentrale Rolle zu, denn sie befähigt Unternehmen auf Basis der Plattformtechnologie, ihre Mitarbeiter von jedem Ort und von jedem Device aus, auf unternehmenskritische Daten zugreifen zu lassen.“ Das erhöhe die Agilität des Unternehmens und der Mitarbeiter, da Arbeitseinsätze somit künftig selbst bei notwendigen Planänderungen schneller und effizienter organisierbar werden. Speziell für kleine und mittelständische Unternehmen sieht Burk darin eine gute Option, um auch in schwierigen Situationen flexibel und kosteneffizient arbeiten zu können.

Mechatronischer Ansatz

Bei Siemens Digital Industries Software sieht man noch einen weiteren wichtigen Trend - die mechatronische Produktentwicklung als holistischen Ansatz im Maschinenbau. „Dies können wir sehr gut mit unserem Ansatz des MCD innerhalb NX abbilden“, sagt Scheller. Umfangreiches Wissen wird in funktional abgesicherten mechatronischen Bibliotheken abgelegt werden - immer in einer abgesicherten PLM-Umgebung, die die Rollenrechte und Prozesse aussteuert, ohne den Mitarbeiter zu belasten.

Konfigurieren statt konstruieren

Einen weiteren Aspekt bezüglich mehr Effizienz rund um Konstruktion und Entwicklung bringt Prof. Wartzack ins Spiel: das Konfigurationsmanagement. Denn ein Großteil der ACD-Arbeiten stehen in Zusammenhang mit Varianten- und Anpassungskonstruktionen, sodass seiner Meinung nach die CAD-Systeme viel stärker in Richtung Konfigurationsmanagement ausgelegt sein sollten. „Frei nach dem Motto 'konfigurierst du schon oder konstruierst du noch?'“

Viel schneller und ohne Zutun des Benutzers müssten ihm auch ähnliche Konstruktionen oder ähnliche, bereits durchgeführte Simulationen angezeigt werden. Sozusagen FEM-Simulation ohne FEM-Berechnungsprozess und das in Echtzeit. Denn das würde auch für mehr Effizienz in der Produktentwicklung sorgen. Und die freigewordene Zeit könnte idealerweise dafür genutzt werden, um den Produktentwicklern mehr Raum für Funktionalität, Qualität und Innovationen zu verschaffen.

Was die einzelnen Anbieter erwarten

  • Peter Scheller, Business Development Consultant im Pre-Sales bei Siemens Digital Industries Software: „Als Trend sehen wir die mechatronische Produktentwicklung als holistischen Ansatz im Maschinenbau. Dies können wir sehr gut mit unserem Ansatz des MCD innerhalb NX abbilden. Weiterhin ist die simulationsgetriebene Produktentwicklung auch ein Schritt, den man innerhalb des CAD abbilden muss. Wir denken hier besonders an neue Fertigungstechnologien wie den 3D-Druck, die völlig neue Funktionsprinzipien in der Produktentwicklung zulassen und dort auch verankert werden müssen Der Konstrukteur bekommt eine neu Rolle in der Bewertung von Modellvarianten, die ihm durch Simulationen vorgeschlagen werden. Diese gilt es technisch umzusetzen.“
  • Christoph von Andrian-Werburg, CAD Experte, PTC: „Das größte, eher mittelfristige Trendthema für PTC ist das cloudbasierte Konstruieren, also CAD in the cloud auf einer echten Software-as-a-Service-Plattform. Mit der Akqusition von Onshape, der einzigen nativen Cloud-Plattform für CAD, haben wir die nächste Generation von CAD bereits definiert. Onshape löst viele Anforderungen an das CAD-System der Zukunft: gemeinsames Arbeiten an einem Modell, kein Datenverlust, kurze Lern- und Rüstzeiten, Arbeiten von Überall, skalierbare Leistung sowie automatische Updates. In Ergänzung zu Creo eignet sich die Lösung damit perfekt für eine wachsende Anzahl von Unternehmen, die CAD nutzen und von den Vorzügen von SaaS-Tools profitieren möchten.“
  • Uwe Burk, Vice President Customer Role Experience Euro Central, Dassault Systèmes: „Dassault Systèmes hat schon früh den Mehrwert einer durchgängigen Business-Plattform erkannt und mit der 3D-Experience-Plattform, die On-Premise oder in der Cloud verfügbar ist, eine Technologie geliefert, von der jetzt auch Solidworks-Anwender profitieren können. Mit dem Portfolio 3D-Experience-Works, das mit der 3D-Experience-Plattform in der Cloud verbunden ist, können Nutzer auf Anwendungen zugreifen, welche ihnen vernetzte, integrierte und automatisierte Möglichkeiten zur Zusammenarbeit ermöglichen. Die Anwendungen decken die Bereiche Design, Simulation, Fertigung sowie Daten- und Lebenszyklusmanagement und werden unter anderem von den Marken Solidworks, Simulia, Enovia und Delmia getragen. Alle Anwendungen arbeiten nahtlos zusammen und speichern alle Daten an einem Ort. Somit haben alle an einem Projekt Beteiligten Echtzeit-Zugriff auf die jeweils aktuellsten Daten und können aktiv am Wertschöpfungsprozess mitwirken.“

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Über den Autor

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Redakteurin, konstruktionspraxis – Alles, was der Konstrukteur braucht