Konstruktionslehre II – V8 Virtuelle Produktentwicklungikt.rwth-aachen.de/Download/KL2/V07_-_Virtuelle_Produktentwicklung... · Hierzu zählen die typischen Engineering- und Konstruktionstools

Konstruktionslehre II – V7

Virtuelle Produktentwicklung 1

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen

28. Mai 2014

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus

RWTH Aachen – Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Feldhusen

Exkursion 2014

• Besichtigung von vier Spitzenunternehmen des internationalen Maschinenbaus

• Einblicke in die berufliche Praxis

• Kontakt und Austausch mit erfahrenen Fachleuten

10.06.

13.06. 11.06.

12.06.

• Teilnahmebeitrag: 100,– €

(inkl. Reise- und Übernachtungskosten)

• Anmeldung per Email an:

[email protected]



• Sie kennen die Hauptgruppen der Engineering-Tools und können deren Zweck

erläutern.

• Sie können die CAx-Tools den Phasen des Top-Down-Prozesses zuordnen.

• Sie können die Ergebnisse und die entstehenden Dokumente der

Hauptphasen des Top-Down-Prozesses erläutern.

• Sie können den Zweck des Bottum-Up-Prozesses und das Vorgehen

beschreiben.

• Sie kennen die grundsätzlichen Modellierungsmodelle im CAD und können

diese erläutern.

• Sie kennen die CAD-Modellierungsstrategien und können diese erläutern.

• Sie kennen die Rapid-Technologien und können diese erläutern.

• Sie können das Grundprinzip generischer Fertigungsverfahren erläutern.

Lernziele dieser Vorlesung

3



KL II Vorlesung 7 – Inhalt

4

1. Rechnerunterstützung im Engineering-Prozess

2. Rechnerunterstützung im Konstruktionsprozess

3. Modellierung

4. Rapid Prototyping / Rapid Tooling



Die vollständige rechnerunterstützte Entwicklung eines technischen

Gegenstandes von der ersten Idee bis zur Erstellung eines

funktionsfähigen Prototypen (Funktion, Geometrie, Dokumente,

Prozesse)

• Voraussetzung dafür ist:

Management der Daten aller drei Partialmodelle des Unternehmens

über den gesamten Produktlebenszyklus

• dabei sollten:

Kunden, Lieferanten und Entwicklungspartner an beliebigen

Standorten einbezogen werden (Collaborative Engineering)

Virtuelle Produktentwicklung

5



Heutige Situation im Engineering-Bereich:

• interdisziplinäre Teams

• verschiedene Standorte

• verschiedene Zeitzonen

• verschiedene Unternehmen und Partner

• ...

Folge:

Umfang der Dokumentationen

Qualität der Dokumentationen

Bedeutung neuer Arbeitstechniken

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Zum Managen der Produkt-, Prozess- und organisationsbeschreibenden

Daten werden adäquate Tools benötigt.

Die Tools müssen folgende Fähigkeiten haben:

1. Abbilden der Informationen und Daten:

Hierzu gehören die „Office-Programme“ der verschiedenen

Hersteller

2. Erzeugen und Verarbeiten von Daten und Informationen:

Hierzu zählen die typischen Engineering- und Konstruktionstools

3. Verwalten der Daten und Informationen

Hauptgruppen von Engineering-Tools

7



Datentechnische Prozesssicht

In den einzelnen

Phasen werden sehr

unterschiedliche

Produktcharakteristika

betrachtet.

8



• Angebotsbild

• Simulation:

Gelenkkinematik

• Zusammenstellungs-

zeichnung

• Zeichnungen

• Stücklisten

Beispiel

Rechnerunterstützung im PEP

9



Tools im rechnerunterstützten PEP

Im rechnerunterstützten Produktentstehungsprozess werden die Produkteigenschaften im Rechner modellhaft

abgebildet.

Bereich CAD:

• geometrische Eigenschaften: Flächen und Volumina, zulässige Bauräume, Baugruppenschnittstellen, ...

• Produktdokumentation: Zeichnungen, Stücklisten, Wartungsanleitungen, ...

Bereich CAE:

• Festigkeitseigenschaften: auftretende Spannungen, Verformungen, ...

• kinematische Eigenschaften: Abbildung von Bewegungsgleichungen, Beschleunigungen,

Geschwindigkeiten, ...

• dynamische Eigenschaften: Bauteilschwingungen, Mehrkörper-Simulation, Eigenformen, Strömungen, ...

Bereich CAP:

• kaufmännische Eigenschaften (PPS): Produktkalkulation, Durchlaufzeiten, Kapazitätsbedarf, ...

• technologische Eigenschaften: Bearbeitungsoperationen, Montageoperationen, Schweißzugaben, ...

Bereich CAM:

• NC-Kopplung: Direkte Ableitung der Maschinenprogrammierung aus den

CAD-Daten der Konstruktion

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Top-Down-Prozess: Engineering

Gearbeitet wird nach dem „Top-Down-Prozess“

„Vom Ganzen zum Einzelnen“

• Schritt 1: Festlegen der Produktstruktur und der zu

realisierenden Funktionen und ihrer Struktur

• Schritt 2: Festlegen der Baugruppen, ihrer Bauräume und

Schnittstellen Voraussetzung für paralleles Arbeiten

• Schritt 3: Vereinzeln von Bauteilen und Komponenten der

Baugruppen, Festlegen der Bauteilschnittstellen,

Gestalten der Bauteile und Komponenten

• Schritt 4: Zusammensetzten des gesamten Produkts aus den fein

gestalteten Bauteilen und Komponenten im

„Bottom-Up-Prozess“:

Geometrie- Controlling im Sinne

„Vom Einzelnen zum Ganzen“

11



Zu

neh

men

de K

on

kre

tisi

eru

ng

(Produktarchitektur)

Top-Down-Prozess

12


















13



Zu

neh

men

de K

on

kre

tisi

eru

ng

Top-Down-Prozess

14



Abbildung der Produktstruktur im CAD

Bauteil 1

Bauteil 2

Standardbauteil 1

Bauteil 3

Baugruppe 1

Bauteil 1

Bauteil 2

Standardbauteil 1

Bauteil 3

Baugruppe 1 Skelettdatei

15



• Produktlogik

• Konstruktionsmethodik

3D-CAD Konzeptentwurf

16








Schnittstellen










17

Voraussetzung für paralleles Arbeiten



Zu

neh

men

de K

on

kre

tisi

eru

ng

Top-Down-Prozess

18



• Fertigungsfeature

• Dfx-Feature

• Katalog Teile

• Vorzugsteile

Abstrahiertes 3D-CAD-Modell

19




20



3. Modellierung




Aufgabe des Konstruktionsprozesses als Teil des

Produktentstehungsprozesses ist:

• Grobgestalten von Baugruppen und Komponenten

• Auswahl der Werkstoffe

• Auswahl der Fertigungsprozesse

• Festlegen der Montageoperationen

• Festlegen von Schnittstellen

• Anzahl

• Ausprägung

• Feingestalten von Baugruppen und Komponenten

• Feingestalten der Schnittstellen

• Erstellen der Fertigungsunterlagen

• Erstellen der Nutzungsunterlagen

• Gesamtdokumentation

Dafür werden Hilfsmittel benötigt

Rechnerunterst. im Konstruktionsprozess

21



CAD-System zur rechnerinternen Abbildung von Volumina und aller sie umgebenden Flächen

3D-Modellierer

Rechnerunterstütztes Konstruieren

Digital-Mockup (DMU)

Mit Hilfe eines 3D-Modellierers in seinen geometrischen Eigenschaften vollständig dargestelltes

Produkt.

Virtueller Prototyp

Wie DMU, zusätzlich werden aber alle dynamischen und anderen technologischen Eigenschaften

des Produkts abgebildet.

Virtuelle Realität

Versetzt den Anwender in die Lage, durch Interaktion mit dem Rechner, in einer „Modellwelt“ die

Eigenschaft eines Produkts mit den menschlichen Wahrnehmungssinnen zu überprüfen.

22


















23



Zu

neh

men

de K

on

kre

tisi

eru

ng

Top-Down-Prozess

24



Komponenten-/Baugruppen-Management:

Entwicklung und Konstruktion von Systemlösungen für alle

Produktkomponenten

• Geometriedaten

• Tabellen

• Texte

• Einkaufsdaten

• ...

Entwicklungstools

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Standard-Bauteile

Kunden-Teile

Bauteil-Feature

Vorzugsteile

wissen (PS)

Katalog-Teile

Baugruppe

Skelett-Datei

26













• Schritt 4: Zusammensetzten des gesamten Produkts aus den

fein gestalteten Bauteilen und Komponenten im




27



DMU: KvMG 03/04; Riedel/Freundt

28




3-stufiger Filteraufbau in Basisausführung

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Vorstufe: Gitter Hauptstufe: Lamellenfilter


Feinstufe: Gitter/ Filtermatte

30



wartungsarme Filterfunktion

Filterprinzip der Hauptstufe

Luftstrom

Partikel,

Wasser

Filtertaschen


31



Partikel- und

Flüssigkeitsabfuhr

der Hauptstufe

Totwasser-

gebiet

Fallstufe

Ablaufschräge

Drossel-

öffnung


32

wartungsarme Filterfunktion



hohe Modularität und Flexibilität

3 Stufige Basisausführung:

Vorfilter Grobfilter Feinfilter

+ +

• Kein Filtermaterial

• Windschutzbleche

• Drahtgitter 1-20mm

• ...

• Filtermatten

• Filtergewebe

• Drahtgestricke

• Drahtgeflechte

• Drahtgewebe

• ...

• Trägheitsabscheider

• Filtergewebe

• Drahtgestricke

• Drahtgeflechte

• ...


33



benutzerfreundliche Wartung


34

Wartungsschritt 1: Demontage von Blende und Filtereinsatz



Wartungsschritt 2: Zerlegen in Grob- und Feinfilter


35

benutzerfreundliche Wartung



Handhabungsschritt 1: Öffnen und Abnehmen der Blende

→ werkzeugfrei


36



Handhabungsschritt 3: Trennen von Grob- und Feinfilter

→ werkzeugfrei

Handhabungsschritt 4:

Entfernen des Feinfilterrahmens


37




38



3. Modellierung




Es gibt drei grundsätzliche Modellarten

• Drahtmodelle (Wireframes)

• Flächenmodelle (Surfaces)

• Volumenmodelle (Solids)

Modellarten

39



• Beim 3D-Modellieren wird eine rechnerinterne Darstellung

erzeugt.

• Auf diese können mathematische Körperoperationen

gemäß der bool´schen Mathematik angewendet werden.

• Bei 2D-Modellierung geht das oben Gesagte nicht.

2D vs 3D

40



Kantenmodelle

41

Objekt wird über seine Kanten definiert, die als Linienelemente gespeichert werden. Kantenmodelle sind in ihrer

bildlichen Darstellung nicht eindeutig und in ihrer geometrischen Beschreibung nicht vollständig. Vorteil ist das

geringe Datenvolumen und die dementsprechend schnelle Verarbeitung der Daten. Dieser Vorteil ist aufgrund der

gestiegenen Rechnerleistung heutzutage weitgehend unbedeutend, daher finden Kantenmodelle kaum noch

Verwendung.

Es gibt keine Unterscheidung von „vorne“ und „hinten“ sowie „innen“ und „außen“

Kantenmodelle (Wireframes)

Quelle: VDI 2209, Lashin 2013, Wikipedia

Abb. 4. Draht-, Flächen- und Volumenmodelle (solid)

Drahtmodell Flächenmodell Volumenmodell (Solid)



Flächenmodelle

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Objekte mit einer infinitesimal dünnen Oberfläche werden erzeugt. Diese sind definiert über Pole (Kontaktpunkte),

Winkel und die Anzahl der Patches (Segmente mit einer Spline Kurve). Modelle werden über Rotation oder

Extrusion von 2D-Konturen oder durch zusammensetzen von 3D-Randkurven erstellt. Bei umfangreichen flächigen

Gebilden verschlechtert sich die Orientierung im Modell.

Es gibt eine Unterscheidung von „vorne“ und „hinten, jedoch nicht von „innen“ und „außen“. Es sind keine

booleschen Operationen möglich, daher auch nicht geeignet für FEM Berechnungen.

Flächenmodelle (Surfaces)






Volumenmodelle

43

Volumenmodelle bestehen aus topologisch geschlossenen Flächenverbänden. Diese sind definiert über

Polynomgleichungen. Sie erfassen nicht nur die Hülle von Objekten sondern auch Volumen- und – sofern eine

Dichte zugeordnet wird – Materialinformationen. Damit können sie sowohl geometrische als auch physikalische

Informationen eines Produktes erfassen.

Es gibt eine Unterscheidung von „vorne“ und „hinten sowie „innen“ und „außen“. Boolesche Operationen sind

möglich.

Volumenmodelle (Solids)






• Direkte Modellierung

• Parametrische Modellierung

• Featurebasierte Modellierung

Modellierungsstrategien

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• Erzeugung von Modellen ohne explizite Verwendung von

Parametern oder Referenzen zwischen Modellelementen

• Gut geeignet in frühen Phasen des Produkt-

entwicklungsprozesses zum schnellen Erstellen von

Modellen

• Keine Modellhistorie, Änderungen eines bestehenden

Elements nur interaktiv über die entsprechende Funktion

• Die Modelle enthalten in der Regel außer der Geometrie

keine weitere Bedeutung (wie beispielsweise Toleranzen)

Direkte Modellierung

45



Beispiel Direkte Modellierung

46

• Nur Geometriedaten gespeichert



• Variable Größen (Parameter) werden eingesetzt um

Eigenschaften und Abhängigkeiten in und zwischen

Modellen zu definieren

• Bietet die Möglichkeit eine bestehende Konstruktionslogik

eines Bauteils oder Systems abzubilden

• Mehrere Varianten können über Parametertabellen

gesteuert werden

• Parameter können im PDM-System hinterlegt werden

Parametrische Modellierung

47



Beispiel Parametrische Modellierung

48

• Modellhistorie

nachvollziehbar

• Sämtliche Größen

als Parameter

gespeichert

• Parameter können

Abhängigkeiten

aufweisen

• Entspricht dem

geplanten

Vorgehen beim

Top-Down Prozess



Fahrzeug

Rohbau kompl. Innenausbau E-Ausrüstung Traktion

Kopfmodul Mittelmodul Antriebsmodul

Haltewinkel Querstrebe

Top-Down-Prozess: Beispiel

Strukturebene

Baugruppenebene

Bauteilebene

49



• Features sind Klassen von Bausteinen die mehr als nur

geometrische Informationen tragen

• Definition: Aggregation von Geometrieelementen

und/oder Semantik

• Abbildung und Wiederverwendung von Expertenwissen

• Unterstützung der Parallelisierung und Beschleunigung

des Produktentstehungsprozesses insgesamt

• Typisch: Formfeatures wie Gewindebohrungen, Fasen, etc.

Featurebasierte Modellierung

50



Beispiel Featurebasierte Modellierung

51

• Features ersparen Arbeitsschritte




52



3. Modellierung




Rapid Technologien

• Die ersten Anwendungen wurde als Rapid Prototyping / Rapid Tooling bekannt.

Alle verwandten Verfahren werden mit Rapid…-ing bezeichnet, z.B. Rapid

Tooling, Rapid Manufacturing.

• Schnelle und günstige Herstellung geometrischer Objekte beliebiger

Kompliziertheit direkt aus 3D-Daten.

• Beschleunigte Produktgestaltung sowie erweiterte Optimierung des Designs

und der Fertigungsprozesse.

• Herstellung von Bauteilen mit extremer Komplexität sowie mit inneren

(Hohlraum-) Strukturen.

• Energieeinsparungen durch reduziertes Gewicht von Bauteilen bei gleicher

Stabilität und Belastbarkeit Kleinserienproduktion, steigende Variantenvielfalt

und individualisierte Produkte möglich und wirtschaftlich

• Werkzeuglose Produktion, losgrößenangepasste oder individuelle Fertigung

Innovationspotenzial

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Werkzeug-

konstruktion Konzeption Entwurf NC-Simulation

Einbauuntersuchungen Baugruppenzeichnungen Einzelteilzeichnung

Beispiel: Hauben- Innenblech des Audi A8

CAE/CAD/CAM-Prozesskette

54

nach Lashin 2013



Grundprinzipien (I)

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Rechnerinternes

CAD-Modell

Rechnerinterne

Schnittdarstellung

Erzeugung der

mathematischen

Schichtinformation

Generierung des

physischen

Bauteils

Umsetzung der

Einzelquerschnitte

in physische Schichten

+Zusammenführung

der physischen

Einzelschichten

zum Bauteil

Virtuelle Ebene

Reale oder

physische Ebene

Physisches

Bauteil

Generative

Fertigung

Quelle: Gebhardt 2007



Grundprinzipien (II)

56

Quelle: Kochan 1993

Generative Fertigungsverfahren

flüssig pulverförmig fest

Polymerisation

Laserstrahl

• Stereolithographie

Lampe

• Polymerdrucke

• Digital Light Processing

1 Komponente + Bindemittel

• Punktuelles Verkleben

• 3D-Drucken

1 Komponente

• Laser-Sintern

• Laser-Schmelzen

• Elektronenstrahlschmelzen

Aufschmelzen und Verfestigen

• Fused Deposition

Modeling

• Multi-Jet Modeling

Schichten kleben

• Laminated Object

Manufacturing

• Paper Laminated

Technology

• Laminate Printing

• Schicht-Laminat-Verfahren



Einsatz in der Produktentwicklung

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• Rapid Prototyping / Rapid Tooling / Layer Manufacturing

/Solid Freeform

• Rapid Manufacturing

• Rapid Tooling

• Rapid Prototyping / Rapid Tooling and Manufacturing

Rapid Technologien

Produkt

Serienteil

Technischer

Prototyp

Funktions-

Prototyp

Geometrie-

Prototyp

Konzept-

Modell

Konstruktion Konstruktion Vorbereitung

Teile Werkzeuge Produktion

Konzepte Prototypen Produkte

Konzept Design Produktion Vorserie



• Datenerstellung und –

aufbereitung

• Erzeugung digitaler

Volumenmodelle

• Direkte Modellierung in

einem 3D-CAD-System

(Computer Aided Design)

• 3D-Digitalisierung und

anschliessender

Datenaufbereitung.

Datenaustausch (I)

58



• Datenformat

• STL-Datenformat (Surface

Tesselation Language,

Standard Triangulation

Language, *.stl)

• VRML-Format (Virtual Reality

Modeling Language, *.vrml)

Datenaustausch (II)

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Normalen-vektoren

Facetten

Begrenzungsflächendes Volumenmodells

Quelle: Beyer 2002



• Zustand der

Ausgangsmaterialien:

flüssig, fest (pulver-,

granulat-, draht- oder

folienförmig)

• Verfahrensprinzipien:

Polymerisation,

Bindemittel und eine

Komponente,

Aufschmelzen,

Schichtenkleben)

Klassifikation (I)

60

Verfahren

Werkstoff

Papier Kunststoff Formsand Metall Keramik

Stereolitographie

Digital Light

Processing

Laser Sintern

Masken Sintern

Strahlschmelzen

Fused Layer Modelling

/ Manufacturing

Multi-Jet Modelling

3D-Printing / 3D

Drucken

Poly Jet Modelling

Layer Laminate

Manufacturing



Klassifikation (II)

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Physikalischer Effekt

Thermische Reaktion Thermische und

chemische Reaktion Chemische Reaktion

Laser Sintern

Fused Layer Modeling

Multi-Jet Modeling

Masken Sintern

Strahlschmelzen

Poly Jet Modeling

3D Printing

Layer Laminated

Manufacturing

Stereolithografie

Digital Light

Processing



Rapid Prototyping / Rapid Tooling

Entstehung eines Schichtenmodells

3D-CAD .cad file

Anlagenspezifische

Schnittebenen

RP-

Verfahren

Nach-

bearbeitung

Reales

Objekt

Prinzip der Stereolithographie (STL)

Wischer verteilt Polymer/Epoxidharz

UV-Laser fährt Schnittebene ab

Bauplattform senkt sich

flüssiges

Polymer

Werkstück

Wischer

Laserquelle

Bau- plattform

Spiegel

Keine Werkzeuge notwendig

62

Trianguliertes

Modell .stl file



3D Systems ZPrinter® 250

• Kostengünstige, qualitativ hochwertige 3D-Teile, mehrfarbig

• 64 eindeutige Farben (grundlegende Punktfarben)

• Auflösung: 300 x 450 dpi

• Mindestgröße der Details: 0,4 mm

• Vertikale Baugeschwindigkeit: 20 mm/Stunde

• Bauformat: 236 x 185 x 127 mm

• Material: Hochleistungs-Verbundwerkstoff (Pulver)

• Schichtstärke: 0,1 mm

• Anzahl der Strahlen: 604

• UVP (2010): $ 24.000

Beispiel 3D-Drucker

Quelle: 3D Systems



• Untersuchung des Workflows

zwischen unterschiedlichen Tools

der Konstruktionstechnik

• Einsatz von 3D-Drucker und 3D-

Scanner in Lehrveranstaltungen

• Direktmodellieren

am Grafiktablett

ikt | D³

64



Je nach Verfahren

• Hohe Oberflächengüte

• Hohe Belastbarkeiten, entsprechend den Eigenschaften

der Grundwerkstoffe

• Enge Toleranzbereiche möglich

Wie gut sind RP – Modelle?

65



Ende der Bildschirmpräsentation

66

Documents

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