CAD by XML - Was XML im Planungssystem leisten kann

In Bauplanungssystemen können XML-Technologien in vielen Bereichen eingesetzt werden mit dem Ziel, diese Systeme modular und webfähig zu gestalten. Der Einsatz lohnt als Basis-Datenstruktur für verschiedene rechnerinterne Modelle, Steuerungsstruktur für Customizing von Anwendungen, Bindeglied zwischen objektbasierten Systemen, Kommunikationsprotokoll zwischen Komponenten. Es ist möglich, komplexe Objekte aus dem Planungsalltag mittels XML arzustellen, zu speichern und zu verarbeiten. Es ist möglich, entsprechende Komponenten im Netz zu verteilen bzw. über Internet zu verbinden. Die heute dominierende Sicht auf XML als Austauschmedium wird ergänzt um die Idee eines XML-basierten Systems: Entwurfsobjekte können als >XML-Objekte< formuliert und im Sinne eines late binding verwendet werden

CAD-Methodik zur Produktivitätssteigerung in der Prozesskette Konstruktion-Fertigung

Danksagung Für die wissenschaftliche und methodische Unterstützung während meiner gesamten Zeit als wissenschaftliche Mitarbeiter und Doktorand am Lehrstuhl für Rechnereinsatz in der Konstruktion gilt mein Dank meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Math. Peter Köhler sowie allen Lehrstuhlkollegen, vor allem jedoch Dr.‐Ing. Alexander Martha, Thivakar Manoharan M. Sc., Phil Hungenberg M. Sc. und René Andrae M. Sc. Unstrittig ist, dass der Konstrukteur für die anforderungsgerechte Produktauslegung und Produkt-gestaltung verantwortlich ist und damit maßgeblich die Qualität und die Herstellkosten beeinflusst. Die Kompliziertheit und Komplexität der Konstruktionslösungen verhindert häufig eine angemessene Sichtweise auf die Herstellkosten bzw. auf Alternativen zur Herstellung eines Produktes. Die Kosten entstehen zumeist erst, wenn das Produkt durch die Fertigungsabteilung realisiert wird. Um dieser großen Kostenverantwortung der Konstruktion besser gerecht werden zu können, wird im Rahmen der Dissertation die technische Produktivität in der Prozesskette Konstruktion-Fertigung, welche sich über die Begriffe Effektivität und Effizienz ausdrücken lässt, betrachtet. Es werden Antworten auf die Fragen formuliert: Was kann getan werden, um die Produktivitätssteigerung in der heutigen Prozesskette Konstruktion-Fertigung zu erreichen? Bei der Beantwortung dieser Frage werden CAD-Methoden vorgestellt, welche die Einbeziehung des Fertigungswissens in ein möglichst frühes Stadium des Entwicklungs- und Konstruktionsprozesses ermöglichen. Anhand von ausgewählten Problemfeldern für Bohr-, Dreh- und Fräsprozesse werden Lösungen zum zerspanungsorientierten Geometrieaufbau und der Fertigbarkeitsanalyse der 3D-CAD-Modelle aufgezeigt. Durch die Implementierung der Methoden und die Entwicklung einer spe-ziellen, zerspanungsorientierten Umgebung im 3D-CAD-System wird dem Konstrukteur die Möglichkeit gegeben, den Produktmodellierungsprozess an Konstruktionsrichtlinien und projektspezifischen fertigungstechnischen und wirtschaftlichen Randbedingungen zu orientieren. Durch den Einsatz spezieller Methoden der wissensbasierten Konstruktion (KBE) und angepasster Web-Techniken (Webservice) werden die in einem fertigungsorientierten Form-Feature gebündelten, geometrischen Informationen um weitere technologische Parameter, wie Werkzeuge, Werkzeugparameter, Verfahrwege und notwendige Fertigungsvorgänge (wie z. B. Schruppen und Schlichten) ergänzt. Für komplexere Geometrieausprägungen werden flächenbasierte Modellierungsmethoden zur Gestaltung räumlicher und fertigungskonformer Werkzeugbewegungshüllen bereitgestellt. Diese insgesamt höherwertigen, fertigungsorientierten Features stellen die Basis für die konstruktionsbegleitende Kostenabschätzung und die CAD-CAM-Kopplung dar. Dabei werden die fertigungsrelevanten Daten und Informationen in der CAM-Umgebung extrahiert, sodass für jeden Fertigungsschritt die dafür benötigten Fertigungsoperationen auf einfache Weise abgeleitet werden können. Somit ergibt sich letztlich eine durchgängige Prozesskette zwischen der Konstruktion und Fertigung, welche auch die Qualität von CAD-CAM-Kopplungen erhöhen kann.It is indisputable that a design engineer is responsible for the requirement-driven functional and geometrical design of new products and that through this responsibility, has a significant impact on the associated quality and manufacturing costs. The complexity of the design solutions often prohibits an adequate assessment of the production costs and can make it difficult to consider alternative manufacturing methods. The manufacturing costs normally emerge only once the product is phased into production. In order to allow the design engineer to better fulfill this responsibility for product costs, this dissertation considers the technical productivity (expressed with the terms effectivity and efficiency) of the process chain between the design engineering and production departments. There are answers to the questions formulated: What can be done to achieve an improvement in the current process-chain between the design engineering and production departments? In answering this question, CAD methods will be introduced which allow the inclusion of production knowledge into the earliest possible stages of the design and development process. Considering selected problem fields in the drilling, turning and milling processes, solutions for creating geometry through machining methods and for analyzing the producibility of 3D CAD models will be presented. Through the implementation of the methods and the development of a special machining-focused environment in the 3D CAD system, the design engineer will be given the ability to align the product modeling process with design guidelines and project-specific manufacturing and economic constraints. By using special methods of knowledge-based design engineering (KBE) and adapted web technologies (Webservice), the geometric information which is bundled in a production-focused form feature will be supplemented with additional technological parameters, such as tools, tool parameters, tool paths and necessary manufacturing operations (e.g. roughing and finishing). For more complex geometrical features, surface-based modeling methods for the design of three-dimensional and production compliant tool-movement envelopes will be provided. These increased-value, production-oriented features are the basis for the cost-estimation in the design phase and for the coupling of the CAD and CAM environments. As a result, the manufacturing-relevant data and information will be extracted by the CAM environment so that the production operations for each step can be determined in a simple manner. This approach results in a complete chain between the design engineering and production departments and can improve the quality of the CAD-CAM information exchange

Wissensbasierte Überprüfung mikrotechnologischer Fertigungsabläufe

Die vorliegende Arbeit beschreibt ein wissensbasiertes System zur Konsistenzprüfung von mikrotechnischen Fertigungsabläufen. Die Inhalte führen von einer allgemeinen Betrachtung des Entwurfs in der Mikrotechnik und der noch benötigten Unterstützung im fertigungsgerechten Entwurf hin zur Vorstellung und Implementierung eines geeigneten Lösungskonzepts. Des Weiteren sind die Einbindung in eine bestehende Konstruktionsumgebung sowie die Verdeutlichung des Entwurfsvorgehens durch Beispiele Gegenstand der Ausarbeitung. Der Entwurfsprozess in der Mikrotechnik verlangt im Gegensatz zu den verwandten Domänen der Mikroelektronik und Mechatronik eine wesentlich stärkere Betonung der Fertigungsgerechtheit. Dies ist bedingt durch die Vielfalt einsetzbarer Fertigungsmethoden, die in der Regel nur sehr eingeschränkt zueinander kompatibel sind und zudem meist nur begrenzte Möglichkeiten zur Materialbearbeitung bieten. Aufgrund mangelnder Entwurfsunterstützung ist der Entwickler auf fundierte technologische Erfahrung angewiesen. Eine zeit- und kostenaufwändige iterative Optimierung des Bauteildesigns in Entwurf und Fertigung ist daher häufig die Regel. Entwurfswerkzeuge müssen diesen besonderen Anforderungen der Mikrotechnik gerecht werden. Bei den bisherigen Bemühungen, diesen Aspekt des Entwurfs mikrotechnischer Bauteile stärker zu berücksichtigen, lag der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Herstellbarkeit konkreter Mikrostrukturen mit einzelnen Fertigungstechnologien. Hinsichtlich der technologischen Wechselwirkungen innerhalb der Fertigung wird in Analogie zur Mikroelektronik versucht, diese Probleme durch die Standardisierung von Fertigungsprozessen, kompatiblen Prozessfolgen und Komponenten zu umgehen. Die hierbei notwendige Festlegung auf bestimmte Technologien und deren Einstellungen führt jedoch zu einer Einschränkung der Lösungsmöglichkeiten. Der Entwurf domänenübergreifender Anwendungen, die z.B. elektromechanische, fluidische, optische oder andere Funktionselemente beinhalten, ist auf diese Weise bislang nicht möglich. Nur wenige Werkzeuge versuchen dagegen, eine Untersuchung der Wechselwirkungen von Technologien direkt in den Entwurf einzubeziehen, indem Inkonsistenzen in Fertigungsabläufen automatisiert erkannt werden. Die derzeit bestehende Unterstützung auf diesem Gebiet ist allerdings noch sehr elementar. Das in dieser Arbeit entwickelte Werkzeug RUMTOPF nutzt den aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz stammenden Ansatz der regelbasierten Systeme, um diese Problemstellung des mikrotechnischen Entwurfs zu adressieren. Die Philosophie des Gesamtsystems liegt darin, seitens des Anwenders möglichst wenig technologisches Expertenwissen vorauszusetzen. Das zur Definition und Prüfung einer Fertigungsprozessfolge benötigte Wissen kann in im Netzwerk verfügbaren Wissensbasen bereitgestellt werden. Da die Strukturierung dieser Basen entscheidenden Einfluss auf die Flexibilität und Erweiterbarkeit des Gesamtsystems hat, wurden angepasste objektorientierte Datenmodelle zur Wissensrepräsentation von Technologien, Fertigungsabläufen und Kompatibilitätsbeziehungen entwickelt und implementiert. Den gleichen Stellenwert haben geeignete Anwenderschnittstellen, die zum einen zum Erwerb zusätzlichen Wissens und zur Information des Anwenders dienen, zum anderen die Nutzung dieses Wissens zur Konsistenzprüfung von Fertigungsabläufen ermöglichen. Dem Anwender wird daher u.a. eine graphische Oberfläche geboten, mit der Prozessfolgen einfach aus dem vorhandenen Technologiewissen konfigurierbar sind. Die schrittweisen Änderungen des zu fertigenden Mikrobauteils werden für jeden Fertigungsschritt in einer schematischen Darstellung visualisiert. Mit technologie-orientierten Regeln kann die definierte Prozessfolge auf mögliche Wechselwirkungen der eingesetzten Prozessierung geprüft werden. Hierzu wird die Diagnosekomponente des Werkzeugs genutzt, welche mit dem Anwender zur Meldung und Erklärung gefundener Mängel kommuniziert. Besonderes Augenmerk wurde auf die Möglichkeiten zur Formulierung von komplexen, möglichst allgemeingültigen Zusammenhängen gelegt, um die Inkompatibilitäten der Fertigung flexibel und kontextbezogen beschreiben zu können. Eine entsprechende Regelbeschreibungssprache wurde entwickelt. Für die Verwendung der erstellten und geprüften Prozessplänen in der Praxis wird die Möglichkeit zum Ausdruck gegeben. Ein generelles Defizit der Entwurfsunterstützung in der Mikrotechnik ist die mangelnde Integration der vorhandenen Werkzeuge. Sie stellen in sich Insellösungen dar, die lediglich einen konkreten Bereich des fertigungsgerechten Entwurfs abdecken können. Zusätzlich zur Prüfung der technologischen Wechselwirkungen ist die Fertigbarkeit der geometrischen Zielvorgaben durch den jeweiligen Fertigungsprozess zu untersuchen. In diesem Bereich ist bereits umfangreiche Entwurfsunterstützung vorhanden, sodass eine Integration der vorgestellten Anwendung mit technologiebezogenen Werkzeugen vollzogen werden kann. Das Vorgehen wurde am Beispiel des am Institut für Mikrotechnik entwickelten Ätzsimulationsprogramms SUZANA aufgezeigt. Abschließende Beispiele zur Herstellung einer planaren Mikrospule und eines 3D-Beschleunigungssensors zeigen die Möglichkeiten und eine generelle Vorgehensweise bei der Nutzung des Werkzeuges. In der Praxis wird ein paralleler Entwurf von Mikrobauteil und Fertigungsablauf angestrebt. Funktionale und somit geometrische Aspekte müssen bezüglich ihrer Herstellbarkeit mit einzelnen Technologien sowie im Rahmen der Gesamtfertigung untersucht werden. Dieses iterative Vorgehen, das bislang häufig erst in der Herstellung stattgefunden hat, kann somit in den eigentlichen Entwurfsprozess eingebunden und somit der fertigungsgerechte Entwurf in der Mikrotechnik umfassend unterstützt werden

Erfolgreiche Kollaboration in Produktionsnetzwerken - fair, sicher, vernetzt

In der heutigen Zeit stehen produzierende Unternehmen aufgrund der Unsicherheit und Komplexität von Umwelteinflüssen sowie des wachsenden Wettbewerbsdrucks vielen Her-ausforderungen gegenüber. Die Pandemie hat uns deutlich veranschaulicht, wie volatil und fragil unsere Lieferketten geworden sind. Eine Möglichkeit, diese Herausforderungen gemeinsam zu überwinden, liegt in der Kolla-boration mit anderen Unternehmen des Wert-schöpfungsnetzwerkes. Kollaborationen, also die erfolgreiche Zu-sammenarbeit mit strategischen Partnern und Kunden zur Erreichung gemeinsamer Ziele, werden weiter an Bedeutung gewinnen. An-statt einzelner Unternehmen werden zukünftig daher ganze Wertschöpfungsketten und -netzwerke im Wettbewerb zueinanderstehen. Das bedingt einen Wandel hin zu einem schnellen und nahtlosen Datenaustausch zwischen den Akteuren im Wertschöpfungs-netzwerk. Die fortschreitende Digitalisierung und damit eine allgemein immer stärker vernetzte Welt unterstützen derartige Kollaborationen zu-nehmend, da das Teilen und die gemein-schaftliche Nutzung von Daten deutlich ver-einfacht werden. Gleichzeitig wird der richtige Umgang mit Daten wettbewerbsentscheidend sein. Die Digitalisierung wird vom Wand-lungstreiber zum Wandlungsbefähiger. Durch innovative Geschäftsmodelle und das Aus-schöpfen des in Daten verborgenen Potenzi-als lässt sich eine verlässliche, flexible und gleichzeitig ressourcenschonende Wert-schöpfung verwirklichen. Der Wirtschafts- und Wissenschaftsstandort Deutschland muss hier eine Führungsrolle einnehmen, um langfristig den heutigen Wohlstand zu erhal-ten. Die Menge an vorhandenen, cloudbasierten Kollaborationsplattformen wächst dabei ste-tig. Insbesondere kleine und mittlere Unter-nehmen müssen viele verschiedene Kunden-plattformen gleichzeitig bedienen, während sie selbst noch mit internen Digitalisierungs-herausforderungen kämpfen. Standardisie-rungsinitiativen für sichere Datenräume in der Industrie, wie GAIA-X, bergen deshalb ein großes Potenzial. Zusätzlich zu diesen grundlegenden infra-strukturellen Fragestellungen bestehen weite-re Herausforderungen bezüglich Kollaborati-onsvorhaben. Eine besonders große Bedeu-tung wird dabei dem souveränen Umgang mit Datenschutz und Datensicherheit zu Teil. Oftmals bestehen Vorbehalte, dass durch die Preisgabe von Daten und Informationen mühsam erarbeitetes Know-how und kontinu-ierlich aufgebaute Wettbewerbsvorteile verlo-ren gehen. Gleichzeitig können Anwen-der:innen aus einem ingenieurswissenschaft-lichen Umfeld die Risiken digitaler Kollabora-tion jedoch nur bedingt einschätzen. Um die eigene Wettbewerbsposition nachhaltig zu sichern müssen deshalb digitale Kompeten-zen aufgebaut und Kollaborationshemmnisse überwunden werden. Einen wichtigen Impuls zur Umsetzung erfolg-reicher Kollaborationsvorhaben können Er-folgsgeschichten und klare Handlungsemp-fehlungen geben, die aufzeigen, wie Kollabo-rationen in der Praxis konkret angegangen werden können und welcher Mehrwert aus ihnen erwächst. Deshalb möchten wir mit dem vorliegenden Handlungsleitfaden produ-zierenden Unternehmen eine solche Orientie-rungshilfe geben. Die nachfolgend erläuter-ten Kollaborationsprojekte und abgeleiteten Best Practices sollen helfen eigene Strate-gien auf dem Weg zu mehr Kollaboration zu finden. Wir wünschen Ihnen viel Freude beim Lesen und stehen Ihnen für Fragen und Dis-kussionen jeder Zeit zur Verfügung

Baukastenbasierte Entwicklungsmethodik für die rechnerunterstützte Konstruktion von Mikrosystemen

In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik vorgestellt, die den Entwickler von Mikrosystemen von der Entwicklung einzelner Komponenten bis zum Entwurf komplexer Mikrosysteme, die aus einer Vielzahl von Materialien bestehen können, unterstützt. Dazu wird zunächst ausgehend von bekannten Vorgehensmodellen der Produktentwicklung ein Vorschlag für ein an die Besonderheiten des Mikrosystementwurfs angepasstes Vorgehensmodell entwickelt welches den verhaltensnahen und den fertigungsnahen Entwurf vereint. Dabei wird insbesondere darauf geachtet, dass es ungeachtet der Ausrichtung der Entwurfsstrategie einen gemeinsamen Einstiegspunkt in das Vorgehensmodell gibt. Der Systementwurf in dem von den Anforderungen eine Funktions-, bzw. Wirkstruktur abgeleitet wird, ist sowohl für den verhaltensnahen als auch für den fertigungsnahen Entwurf relevant. Ausgehend von der Wirkstruktur sieht das Vorgehensmodell dann prinzipiell zwei Wege vor, die zunächst zur Ableitung eines dreidimensionalen Modells, später zum gefertigten Mikrosystem führen. Die Analyse des Stands der Forschung hat gezeigt, dass die bisher entwickelten Entwurfswerkzeuge hauptsächlich den verhaltensnahen Entwurf unterstützen. Die bekannten Ansätze zur fertigungsnahen Entwurfsunterstützung vernachlässigen weitestgehend den Entwurf des Maskenlayouts. Im Bereich der Baukästen wurden hauptsächlich Systembaukästen aufgebaut, die einzelne Mikrosysteme über definierte Schnittstellen miteinander verbinden. Daher wurde ein System entwickelt, welches eine Lücke im Bereich des Komponentenentwurfs schließt. Mit Hilfe von Bausteinen auf Komponentenebene kann eine Möglichkeit aufgezeigt werden wie ein kombinierter Layout- und Prozessentwurf die technologieübergreifende Nutzung von bereits erfolgreich gefertigten Lösungselementen ermöglicht. Das System wurde in einen Softwareprototyp umgesetzt und mit einer zentralen Datenbank verbunden. Einen Aspekt des Komponentenentwurfs spiegelt die detaillierte Simulation konkreter Prozessschritte wider. Gerade im Umgang mit Prozessen der UV-Tiefenlithographie hat sich im Verlauf der Arbeit gezeigt, dass Beugungserscheinungen die strukturgetreue Abbildung der Maskengeometrie verhindern. Es ist daher sinnvoll, die Belichtungsintensität auf der Resistoberfläche vorhersagen zu können, um das Maskenlayout ggf. anzupassen. Daher wurde ein Simulationsprogramm für Beugungseffekte entwickelt, welches aus den erstellten Maskenlayouts eine Topographie der Resistoberfläche ableitet und den Einfluss dieser Topographie auf die Abbildungstreue simuliert. Um die starre Zuordnung von Bausteinen zu Fertigungsprozessen, wie sie im Datenmodell des Baukastensystems verankert ist aufzuweichen, wurde nach einer Möglichkeit gesucht Fertigungstechnologien an Hand eines Kriteriensystems auswählbar zu machen. Es wird gezeigt, dass aus dem Maschinenbau bekannte Verfahren an die Belange der Mikrosystemtechnik angepasst werden können und so zur gezielten Auswahl geeigneter Technologien führen. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Arbeit ist die Integration der einzelnen Module in eine geschlossene Entwicklungsumgebung. Hier wurde darauf geachtet, dass kommerzielle Werkzeuge mit den entwickelten Modulen über definierte Schnittstellen Daten austauschen und so ein geschlossenes System für den verhaltens- und fertigungsnahen Entwurf zur Verfügung steht. Der Entwickler wird über ein Projektplanungs und -management Werkzeug durch die einzelnen Entwurfsschritte geführt. Abschließend zeigen Anwendungsbeispiele verschiedene Aspekte des Systems. Am Beispiel einer doppelllagigen Mikrospule wird das Vorgehen beim Entwurf mittels Baukastensystem verdeutlicht. Diese Anwendung soll vor Allem detailliert die Arbeitsweise des Programms im Hinblick auf die Ableitung von Gesamtlayout und - prozesskette verdeutlichen. Des Weiteren wird hierbei ein Modul zum Grobentwurf von planaren Mikrospulen eingesetzt und die Anbindung an ein Finite Elemente Magnetics Programm vorgestellt. Ein zweites Anwendungsbeispiel verdeutlicht den Einsatz von Modulen zum Komponentenentwurf, falls für gewünschte Funktionen keine Bausteine im System vorgehalten werden. Die Membran eines Kraftsensors wird herangezogen, um die Vorgehensweise des Moduls zur Optimierung von Masken zu illustrieren. In der letzten Anwendung wird die Fähigkeit des Systems herausgestellt technologieübergreifende Bausteine zu einem neuen, komplexen Mikrosystem zusammenzuführen. Das Beispiel eines Mikrogreifers, der Komponenten aus der Siliziumtechnologie und der UV-Tiefenlithographie verbindet zeigt wie vorteilhaft die technologieübergreifende Entwicklung sein kann. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick für zukünftigen Forschungsbedarf ab.This work presents a method, which supports designers of microsystems. The main achievement of the system is that it supports the design of single components as well as the development of complex systems that consist of several different materials. In a first step available product development models are analyzed and the main challenges of MEMS design are discussed. This leads to the generation of a new process model for MEMS design that combines both behavioral modeling and productionrelated design. The system design forms the common starting point of the model. This process leads from the specifications to a function structure, which will than act as a basis for either the behavioral design path or the production-related design path. Both ways lead to a three-dimensional model of the proposed system, which can be used for further computational analysis. An analysis of the state-of-the-art in design tools for MEMS showed that most commonly the behavioral modeling is supported by such tools. All relevant methods neglect the design of process and mask layout for non-standard process flows. The area of building block systems mainly focuses on the definition of interfaces between single micro systems. This leads to the development of the presented system, which closes a gap in the area of component design. By means of building blocks on component level a new way of designing microsystems can be pointed out. The combination of layout and process design makes the reuse of once successfully fabricated elements possible. The system is presented as a software prototype and is attached to a central database. One important aspect of component design is the simulation of process steps. Especially high-aspect-ratio UV-lithographic patterning requires the use of a simulation tool for the estimation of diffraction effects during the exposure of complex three-dimensional structures. Different levels of microstructures and substrate cause diffraction effects during the exposure, which lead to a distortion of the original mask pattern. The presented simulation tool enables a designer to calculate intensity profiles on the resist surface and to estimate the impact of diffraction effects on the resulting resist pattern. An example is used to show the optimization of mask structures by adding special compensation structures. The presented building block system still lacks of flexibility regarding the use of evolving technologies. It uses fixed process sequences for single blocks to derive of process flow for the whole system. This leads to the fact that new fabrication processes have to be added to each block separately. To substitute single processes in a process chain a criterion system was developed to assist designers in decision making regarding the use of the best fabrication technology for a given design problem. Another important aspect is the integration of all tools into one single design environment. Here the fact that commercially available tools can communicate with other modules of the environment by especially designed interfaces was especially addressed. This ensures the consistent use of behavioral modeling and production-related design tools in one workflow. Different application examples show the capabilities of the presented system. The example of a spiral micro-coil is used to depict the use of the building block system. It focuses on the aspect of deriving a process flow and the layout. Additionally a module for the preliminary design of all coil dimensions and the interface to a finite-elementmagnetics tool is presented. In a second example the use of modules for the design of single components is shown. The membrane of a tactile force sensor acts as an example for deriving an optimized layout structure. The last application shows, how the system can handle blocks from different technologies to combine them into a complex microsystem. A hybrid micro gripper is used to depict how silicon based components can be combined with technologies from highaspect- ratio UV-lithography. The work concludes with a summary and a perspective for further research activities in this area

Automatisierte Generierung von Simulationsmodellen unter Verwendung des Core Manufacturing Simulation Data (CMSD) Information Model - Implementierung eines Pilotszenarios

Aufgrund verkürzter Produktlebenszyklen und gleichzeitig gestiegener Planungskomplexität besteht für Unternehmen des produzierenden Gewerbes die Notwendigkeit, die Planungsprozesse zur Erstellung und dem Betrieb der Produktionseinrichtungen zu verbessern. Eine Möglichkeit zur Verwirklichung der Ziele nach steigender Planungsqualität und –sicherheit und dabei verringerten Planungsdauer und –aufwand, ist der Einsatz planungs- bzw. betriebsbegleitender Ablaufsimulationen. Voraussetzung hierfür ist die Integration der Simulation in das Umfeld der betrieblichen Anwendungssysteme der Planung und Fertigungssteuerung sowie die Reduzierung des Aufwandes zur Erstellung der Simulationsmodelle, was u. a. durch eine automatisierte Generierung erreicht werden soll. Die Anbindung der Simulationssysteme durch leistungsstarke und flexible Schnittstellen ist heutzutage noch nicht zufriedenstellend gelöst und behindert somit den konsequenten Einsatz der Simulationstechnik. Um dem Problem der unzureichenden Schnittstellenanbindungen entgegenzutreten, entstand in mehrjähriger Arbeit das „Core Manufacturing Simulation Data“ (CMSD) Information Model. Dieses definiert eine Spezifikation für Kerndaten von Fertigungssimulationen. Mithilfe der im CMSD Information Model enthaltenen Datenstrukturen können Modellbeschreibungen für simulationsrelevante Daten formuliert und für den Datenaustausch genutzt werden. Als Datenaustauschformat findet das XML-Format Verwendung. Im Rahmen dieser Arbeit wird das CMSD Information Model auf die Nutzbarkeit zur Abbildung simulationsrelevanter Eingangsdaten für Ablaufsimulationen im fertigungstechnischen Umfeld hin untersucht. Dies geschieht anhand einer prototypischen Umsetzung eines automatisierten Simulationsmodellgenerators und eines konkreten, fiktiven Anwendungsbeispiels einer Werkstattfertigung. Die für das Beispiel benötigten Eingangsdaten werden mithilfe der Datenstrukturen des CMSD Information Model abgebildet und mittels Datenimport dem Modellgenerator zur Verfügung gestellt. Anschließend erfolgt ein automatisierter Modellaufbau. Darüber hinaus werden Anregungen zu Erweiterungen der prototypischen Umsetzung gegeben, um eine umfassende Anwendungslösung zu erreichen, welche zur Untersuchung des betriebsbegleitenden Einsatzes geeignet ist.Zugl.: Ilmenau, Techn. Univ., Diplomarbeit, 201

Additive Manufacturing: Product Development Process Optimization Through CAD-CAM Integration

Die Verbreitung von 3D-Druck-Anwendungen im Bereich der Home- und Office-User führt zu einer gesellschaftlichen und medialen Fokussierung aller Technologien zur additiven Bauteilherstellung. Auch für die professionelle Anwendung dieser Technologien als Fertigungsverfahren werden die Möglichkeiten als grenzenlos beschrieben. Bei weitergehender Auseinandersetzung wird jedoch schnell festgestellt, dass sich additive Fertigungsverfahren zwar prinzipiell zur Herstellung von Produk-ten eignen, eine umfassende Einbindung in bekannte Betriebs- und Entwicklungsab-läufe jedoch noch nicht gegeben ist. Ziel der Arbeit ist es, eine umfassende CAD-CAM-Prozesskette für additive Fertigungsverfahren zu entwickeln. So sollen durch bessere Integration die Akzeptanz, Effizienz und Qualität des Produktentwicklungsprozesses gesteigert werden. Dazu wird ein Ansatz zur Erweiterung gängiger 3D-CAD-Systeme entwickelt. Hiermit sollen die für die additive Fertigung typischen Eigenschaften direkt bei der Bauteilgestaltung verfügbar gemacht werden. Die Integration resultiert letztendlich in der Bereitstellung von Schichtdaten im eigens entwickelten Schichtdatenformat Additive Manufacturing Layer File Format (AMLF). Die Umsetzung erfolgt durch umfassende Nutzung von Systems Engineering Methoden. Als Demonstrator für die Erfassung von Anforderungen und die Beschreibung von Teillösungen wird die gekühlte Leitschaufel einer Gasturbine gewählt.The growing use of 3D printing applications in the home and office environment increases media coverage of the related additive manufacturing technologies. In this regard, the possibilities for the professional utilization of these technologies are de-scribed as limitless. However, a closer look quickly reveals that additive manufacturing technologies are in principle suitable for manufacturing whereas a full integration in the known development processes is not given yet. Therefore, the aim of this work is the description of a comprehensive CAD-CAM-process chain for additive manufacturing. As a result a better acceptance, efficiency and quality of the product devel-opment process should be achieved. For this purpose, an approach for the enhancement of standard 3D-CAD-systems is developed. This approach provides additive manufacturing specific properties and features during the part design process, which eventually results in layer data that is exchanged with the self-developed Additive Manufacturing Layer File Format (AMLF). The implementation is carried out by the use of systems engineering methods. For an extended requirements review and the description of partial solutions, a cooled stationary blade of a gas turbine is chosen as demonstrator

Integration elektromechanischer CA-Anwendungssysteme über einem STEP-Produktmodell

Ein Problem der Spezialisierung industriealisierter Wirtschaftsstrukturen in einzelne Leistungserbringer ist die Kommunikation zwischen Anbietern und Nachfragern von Gütern und Dienstleistungen. Dies gilt sowohl zwischen kooperierenden Unternehmen als auch innerhalb eines Unternehmens zwischen unterschiedlichen Abteilungen. Durch die Nutzung rechnergestützter Hilfsmittel wird diese Kommunikationsproblematik nicht gelöst, sondern auf eine neue Stufe gehoben. Während die rechnergestützte Bearbeitung administrativer Unternehmensvorgänge oftmals zentralistisch organisiert und über Datenbanklösungen integriert wurde um Kommunikationsvorgänge zu minimieren, ließen sich technische EDV-Systeme bisher weder effizient koppeln noch zentral oder verteilt integrieren. Grund hierfür sind hochspezialisierte interne Datenstrukturen technischer Anwendungssysteme die allgemeingültigen Modellen wenig zugänglich waren. Mit der unter der ISO definierten Norm ISO-10303 (STER Standard for the Exchange of Product Model Data) wird ein einheitliches Modell für produktbeschreibende Informationen geschaffen. Über die Modellbildung hinaus wird jedoch sogar eine Referenzarchitektur für die Entwicklung von Anwendungs- und Implementierungsmodellen bereitgestellt. Dabei stellt die Modellierungssprache EXPRESS fundamentalen Kern der Architektur von STEP dar. Die Entwicklung von Werkzeugen zur Unterstützung der Implementierung der einzelnen Teile der Norm ISO-10303 stellt ein Ergebnis der geleisteten Arbeit dar. Insbesondere die Verarbeitung der Modellierungssprache EXPRESS, in der sowohl Anwendermodelle, Referenzmodelle sowie Metamodelle der Implementierungsprinzipien beschrieben werden, wurde effizient unterstützt. In der Arbeit wird auf ein flexibles Implementierungswerkzeug für jegliche in EXPRESS definierte Modelle gesetzt. Die Nutzung beliebiger EXPRESS-Modelle als Basis von Implementierungen wird dadurch möglich. Die vier in der Norm ISO-10303 diskutierten und teilweise genormten Implementierungsmethoden Austauschdatei, Datenbasis mit Zugriffsschnittstelle SDAI (Standard Data Access Interface), Hauptspeicherstruktur und Wissensbasis wurden prototypisch in der Arbeit realisiert. In die noch laufenden Normierungstätigkeiten konnten dadurch wertvolle Spezifikationshinweise eingebracht werden. Während zu Beginn der Entwicklung von STEP primär die Definition von Datenmodelle und daraus abgeleitet, Dateiformate zum Austausch von Produktinformationen im Vordergrund stand, stellt im weiteren Verlauf der STEP-Entwicklung die koordinierte Verwaltung von Produktinformationen einen Schwerpunkt dar. Die in Datenbanksystemen vorhandenen Fähigkeiten zur Datenverwaltung stellen einen Ansatz zur Realisierung von Produktdatenbanken dar. Die in STEP definierten Produktmodelle können dabei als Datenbankschemata benutzt werden. Die heute in industriellen Umgebungen eingesetzten Datenbankprinzipien der relationalen und objektorientierten Datenbanksysteme werden hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit als Basissysteme für STEP-Produktdatenbanken untersucht und für ein Datenbanksystem, das eine spezielle Erweiterung des relationalen Modells darstellt, eine Implementierung einer STEP-Datenbank vorgenommen. Die primären Anwendungsprobleme, für die mit Hilfe von STEP Austauschszenarien bewältigt werden können, sind im Bereich des Datenaustausches zwischen CAD/CAE- Systemen zu finden. Besonders CAD-Systeme, die die Repräsentation dreidimensionaler technischer Objekte ermöglichen, profitieren von der ausdrucksstarken Modellbildung der STEP Geometrie-Partialmodelle. Für leistungsfähige geometrische Modellierwerkzeuge wurde ein Datenaustauschszenario skizziert und mit Hilfe von realisierten STEP-Pre- und Postprozessoren unterstützt. Der Integrationsaspekt von zukünftigen, unternehmensweiten CAD/CAE-Anwendungssystemen wird durch die Fähigkeit dieser Anwendungen bestimmt, STEP-konforme Daten aus Datenbasen zu entnehmen und für diese bereitzustellen. Während neu zu realisierende Anwendungssysteme zur Verwaltung von Produktdaten eine SDAI-Schnittstelle als integralen Bestandteil realisieren können, sind vorhandene Systeme mit Schnittstellen zu einem SDAI auszurüsten. Der geometrische Modellierer Acis wurde mit einem derartigen Interface versehen, um eine Integration von CAD-Anwendungssystemen die auf diesem Modellierer beruhen, auf STEP/SDAI-basierten Datenbasen zu ermöglichen. Die Probleme der langer Transaktionen stellen in diesem Zusammenhang neue Anforderungen Datenbankmanagementsysteme. Die Bearbeitung von STEP-basierten Problemlösungen kann aus einer anwendungsfreien und einer anwendungsorientierten Sicht vorgenommen werden. Während Werkzeuge, die zur Unterstützung der Implementierung von Anwendungssystemen aus EXPRESS-Modellen heraus dienen, zunächst anwendungsfrei gehalten werden können, muß ein STEP-basiertes Anwendungssystem die Anforderungen, die aus dem Anwendungsreferenzmodell eines STEP-Anwendungsprotokolls stammen, inhaltlich berücksichtigen. Die aus der Entwicklungsmethodik für STEP-Anwendungsprotokolle abgeleitete problematische Beziehung zwischen Anwendungsmodell und Referenzmodell wurde kritisch hinterfragt und neue Lösungsansätze vorgestellt. Spritzgegossene dreidimensionale Schaltungsträger stellen ein Beispiel eines mechatronischen Produktes in einer neuen Produkt- und Produktionstechnologie dar. Das Defizit von Entwicklungswerkzeugen für die Produkt- und Produktionsgestaltung dieser Produkttechnologie ist vor allem durch fehlende und in den existierenden CAD/CAE-Systemen nur ineffizient realisierbare Modellbildung für derartige Produkte begründet. Das STEP-Anwendungsprotokoll 210 stellt einen akzeptablen Ansatz für eine integrierte elektromechanische Modellbildung bereit. Die in elektronisch oder mechanisch orientierten Systemen fehlenden Entwurfsfunktionen 3D-Layout und 3D-Entflechtung wurden auf einem geometrischen Modellierer realisiert. Der Prototyp wurde als integraler Bestandteil eines STEP-Anwendungssystems konzipiert und realisiert. Mit einem Anwendungsbeispiel konnte die prinzipielle Tragfähigkeit des integrierten Ansatzes nachgewiesen werden.One problem with the specialization of industrialized economic structures in individual service providers is the communication between suppliers and consumers of goods and services. This applies both between cooperating companies and within a company between different departments. By using computer-assisted aids, this communication problem is not solved, but raised to a new level. While the computer-assisted processing of administrative company processes was often organized centrally and integrated via database solutions to minimize communication processes, technical EDP systems have so far been neither efficiently coupled nor integrated centrally or distributed. The reason for this is highly specialized internal data structures of technical application systems that were generally inaccessible to models. The ISO-10303 (STER Standard for the Exchange of Product Model Data), defined under the ISO, creates a uniform model for product descriptive information. In addition to modeling, however, a reference architecture for the development of application and implementation models is also provided. The modeling language EXPRESS represents the fundamental core of the architecture of STEP. The development of tools to support the implementation of the individual parts of the ISO-10303 standard is a result of the work done. In particular, the processing of the modeling language EXPRESS, in which both user models, reference models and metamodels of the implementation principles are described, was efficiently supported. The work is based on a flexible implementation tool for any models defined in EXPRESS. This makes it possible to use any EXPRESS models as the basis of implementations. The four implementation methods exchange file, database with SDAI (Standard Data Access Interface), main memory structure and knowledge base, discussed and partially standardized in the ISO-10303 standard, were implemented prototypically in the work. As a result, valuable specification notes could be included in the ongoing standardization activities. At the beginning of the development of STEP, the primary focus was on the definition of data models and, derived from them, file formats for the exchange of product information. In the further course of STEP development, the coordinated administration of product information will be a focal point is an approach to the realization of product databases. The product models defined in STEP can be used as database schemes. The database principles of relational and object-oriented database systems used today in industrial environments are examined with regard to their usability as basic systems for STEP product databases and an implementation of a STEP database is carried out for a database system that represents a special extension of the relational model. The primary application problems for which STEP exchange scenarios can be dealt with can be found in the area of data exchange between CAD / CAE systems. CAD systems in particular, which enable the representation of three-dimensional technical objects, benefit from the expressive modeling of the STEP geometry partial models. A data exchange scenario was outlined for high-performance geometric modeling tools and supported with the help of implemented STEP pre- and postprocessors. The integration aspect of future, company-wide CAD / CAE application systems is determined by the ability of these applications to extract STEP-compliant data from databases and make them available for them. While newly implemented application systems for managing product data can implement an SDAI interface as an integral part, existing systems must be equipped with interfaces to an SDAI. The geometric modeler Acis was provided with such an interface to enable the integration of CAD application systems based on this modeler on STEP / SDAI-based databases. The problems of long transactions place new demands on database management systems in this context. STEP-based problem solutions can be processed from an application-free and an application-oriented perspective. While tools used to support the implementation of application systems from EXPRESS models can initially be kept application-free, a STEP-based application system must take into account the content of the requirements that come from the application reference model of a STEP application protocol. The problematic relationship between the application model and the reference model derived from the development methodology for STEP application protocols was critically examined and new solutions were presented. Injection molded three-dimensional circuit carriers represent an example of a mechatronic product in a new product and production technology. The deficit of development tools for the product and production design of this product technology is mainly inefficient due to the lack of and in the existing CAD / CAE systems feasible model formation for such products justified. The STEP application protocol 210 provides an acceptable approach for integrated electromechanical modeling. The design functions 3D layout and 3D unbundling, which are missing in electronically or mechanically oriented systems, were realized on a geometric modeler. The prototype was designed and implemented as an integral part of a STEP application system. An application example was used to demonstrate the basic sustainability of the integrated approach

Ganzheitliche Untersuchung der drahtlosen Vernetzung des Fahrzeugs mit der Produktionsinfrastruktur für eine zukunftsfähige Inbetriebnahme

The industry is currently going worldwide through a major change. To overcome the steadily growing cost pressure and increasing global competition, the aim is to optimize all stages of the value chain. Therefore, modern information and communication tech-nologies are being used for this purpose. As in the automotive industry vehicles become more and more intelligent, the task is to connect the product more closely with production. External commissioning test de-vices are currently connected to the vehicular on-board diagnostics interface via a ca-ble in order to configure, adjust and test control unites in the vehicle. However, the usage of those commissioning test devices is currently limited and labour-intensive. The present dissertation makes a scientific contribution to a novel approach that ena-bles wireless communication with the vehicle, using innovative networking technolo-gies in connection with optimized IT approaches. First, a suitable networking technol-ogy is selected and analyzed. With help of this contribution, several approaches for an innovative commissioning system are then developed and transferred to the process landscape of automotive assembly. Thus, it can be shown that the wireless connection of the vehicle with the production infrastructure is an important component for the effi-cient optimization of value creation in production.Die Industrie befindet sich zurzeit weltweit in einem epochalen Umbruch. Der stetig wachsende Kostendruck fordert die Unternehmen zunehmend, sämtliche Stufen der Wertschöpfungskette zu optimieren. Zu diesem Zweck werden moderne Informations- und Kommunikationstechniken eingesetzt. Im Automobilbau stellt sich dabei korrespondierend zu immer intelligenter werdenden Fahrzeugen die Aufgabe, das Produkt immer enger mit der Produktion zu vernetzen. Derzeit werden externe Inbetriebnahme-Testgeräte über ein Kabel mit der Diagnose-schnittstelle im Fahrzeug verbunden, um Steuergeräte im Fahrzeug zu konfigurieren, einzustellen und zu prüfen. Allerdings sind diese Inbetriebnahme-Testgeräte heutzu-tage in ihrer Nutzung stark eingeschränkt und arbeitsaufwendig. Die vorliegende Arbeit leistet einen wissenschaftlichen Beitrag zu einem neuartigen Ansatz, der unter Anwendung von innovativen Vernetzungstechnologien in Verbin-dung mit optimierten IT-Ansätzen eine kabellose Kommunikation mit dem Fahrzeug ermöglicht. Zunächst wird dazu eine geeignete Vernetzungstechnologie ausgewählt und analysiert. Mithilfe dieser werden anschließend mehrere Ansätze für ein innovati-ves Inbetriebnahmesystem entwickelt und diese in die Prozesslandschaft der Fahr-zeugmontage überführt. Somit kann gezeigt werden, dass die kabellose Vernetzung des Fahrzeugs mit der Produktionsinfrastruktur einen wichtigen Baustein zur effizienz-steigernden Optimierung der Wertschöpfung in der Produktion darstellt