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

SEMANTISCHE KUNDEN-FEATURE-OBJEKTE IN ERWEITERTEN DIGITALEN PRODUKTMODELLEN

Zur Entwicklung und Verbesserung von Industriegütern wird Kundenwissen permanent in den Unternehmensbereichen F&E und Produktion benötigt. Wie mehrere Untersuchungen gezeigt haben, besteht in Industriebetrieben häufig eine systemtechnisch bedingte Informationslücke zwischen den kundenorientierten und den produktorientierten Unternehmensbereichen, so dass eine strukturierte Erfassung von relevantem Kundenwissen an der Kundenschnittstelle und eine Weitergabe in die produktorientierten Unternehmensbereiche nicht erfolgt. Als Beitrag zur Lösung dieses Problembereiches wurde ein Konzept zur Schließung von bestehenden Informationslücken entwickelt, prototypisch umgesetzt und erprobt. Im Mittelpunkt steht hierbei die strukturierte Erfassung des Kundenwissens an der Kundenschnittstelle sowie die medienbruchfreie Integration in Form sog. Kundenfeatures in IT-Systeme der produktorientierten IT-Landschaft

Design for Logistics :ein Beispiel für die logistikgerechte Gestaltung des Computer Integrated Manufacturing

Einer rasch ansteigende Anzahl an Beiträgen widmet sich der zwischen Logistik und CIM bestehenden Beziehung. Zumeist besteht das Ergebnis dabei in der Identifikation einer Schnittmenge, in der sich beide Integrationsansätze treffen. Eine solche Schnittmengendefinition ist aber ohne unmittelbaren Nutzen. Dieser Arbeitsbericht zeigt an einem Beispiel auf, daß die Interdependenz zwischen beiden Konzepten - der Verbundenheit von Material- und Informationsflüssen entsprechend vielschichtiger ist, als die bisher ermittelten Berührungspunkte von Logistik und CIM vermuten lassen. Exemplarisch für den Blickwinkel CIM aus Sicht der Logistik wird die logistikgerechte Gestaltung der Konstruktion ausgeführt. Damit wird innerhalb des Produktentstehungsprozesses die Phase mit maximaler Gestaltungswirkung auf die Logistik untersucht. Im folgenden wird einerseits dargestellt, wie die Konstruktion Einfluß auf logistische Prozesse nehmen kann. Andererseits wird aufgezeigt,wodurch die Freiheitsgrade einer logistikgerechten Konstruktion abgesteckt werden. Anhand einer Beschreibung der Möglichkeiten der informatorischen Unterstützung des Konstrukteurs werden die datentechnischen Konsequenzen einer höheren Logistikorientierung im Konstruktionsprozeß deutlich. Der Arbeitsbericht endet mit einer Skizzierung der Schwierigkeiten bei der praktischen Umsetzung der aufgestellten Forderungen.<br

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

NC process chain for small business : requirements, selection of best practice, system implementation and upgrading

Sich verändernde Marktbedingungen zwingen auch Kleinbetriebe vermehrt zu Innovationen und Investitionen um die Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten. Für Unternehmen, die spanende Fertigungsverfahren einsetzen, bedeutet dies zunehmend den Einstieg in die NC-Technik, deren Wirtschaftlichkeit wesentlich von den eingesetzten Verfahren und Hilfsmitteln zur Erstellung der Maschinensteuerprogramme abhängt. Hier sind in der Praxis häufig Defizite festzustellen, was nicht zuletzt an fehlenden Hinweisen für Auswahl und Einsatz geeigneter Programmierlösungen liegt. Diese Arbeit stellt einen Leitfaden für Anwender aus Kleinbetrieben dar, mit dem sie unter Berücksichtigung der besonderen Randbedingungen durch ein systematisches Vorgehen eine geeignete NC-Prozeßkette aufbauen oder eine vorhandene NC-Programmierumgebung kritisch überprüfen können.To sustain competitiveness even small business are forced to innovation and additional investment due to changing market conditions. For firms with metal-cutting manufacturing this means increasingly the introduction of digitally programmed machine tool. Its economic efficiency is closely connected to the methods and facilities that are used for the generation of machine tool controller programs. Missing hints for the selection and the use of suitable solutions are often the reason for deficiencies in practice. This work intends to be a guideline for users in the environment of small business. It should help them in consideration of the specific conditions there, to establish an optimized NC process chain or to analyze the suitability of existing NC programming tools by a systematic procedure

A system-technical method for the safeguarding of simulations during the design process

Inhalt dieser Arbeit ist die Definition einer Methodik zur Entwicklung von Unterstützungs-systemen zur Absicherung konstruktionsbegleitender Simulationen in CAD-Systemen. Der Fokus der Vorgehensweise liegt auf der systemtechnischen Umsetzung im Sinne der modell-basierten Systementwicklung (MBSE). Die Methode teilt sich auf in die Erstellung einer Wis-sensbasis, die Systementwicklung mittels der System Modeling Language (SysML) und die Implementierung ins CAD-System. Mit diesem Leitfaden soll gerade im Bereich der Formalisierung und der Implementierung von KBE-Systemen der Entwickler solcher Systeme bei der Kommunikation im Team und der Implementierung unterstützt werden. Zur Qualifizierung werden praktische Beispiele gezeigt, wie unterschiedliche KBE-Techniken aus einem neutralen Systemmodell abgeleitet werden können. Die Validierung erfolgt an einem aktuellen Forschungsprojekt aus dem Bereich der spritzgussgerechten Konstruktion.Content of this thesis is the definition of a method for the development of support systems to safeguard simulations during the design process in CAD systems. The focus of the proce-dure is on the technical implementation in terms of model-based system development (MBSE). The method is divided into creating a knowledge base, system development using the System Modeling Language (SysML) and implementation into the CAD system. This guide is intended to support the developers of such systems in team communication and implementation, especially in the area of formalization and implementation of KBE systems. For qualification, practical examples of how different KBE techniques can be derived from a neutral system model are shown. The validation is carried out at a current research project in the field of injection-moulded part design

Intelligente Anomalieerkennung für hochflexible Produktionsmaschinen : Prozessüberwachung in der Brownfield Produktion

Unter dem Begriff "Industrie 4.0" wurden im letzten Jahrzehnt Ansätze der Dateninfra-struktur in Produktionen entwickelt und in großem Umfang angewendet. Dennoch kann das volle Potenzial datengetriebener Analysen kaum ausgeschöpft werden, da viele Produktionsanlagen durch eine hohe Komplexität und Prozessvielfalt gekennzeichnet sind. Zudem ist die Datenmenge in der Praxis meist zu gering, um selbstlernende Me-thoden anzuwenden. Die Integration von Anwenderwissen in datengetriebenen Metho-den ist bisher nicht ganzheitlich erforscht. In dieser Dissertation werden Ansätze zur Anomalieerkennung in verschiedenen hochflexiblen Produktionsmaschinen und die In-tegration von Domänenwissen eines Anwenders vorgestellt. Während sich bestehende Methoden auf das Modelltraining von sich wiederholenden gleichen Prozessen kon-zentrieren, besteht der neuartige Ansatz dieser Arbeit darin, ein Konzept zur Fehlerer-kennung mit einer sehr geringen Datenmenge zu entwickeln. Eingriffsgrenzen sind va-riabel und lassen sich durch selbstlernende Algorithmen im Falle einer Prozess- oder Produktänderung anpassen. Die Prozessdifferenzierung basiert auf einer Prozessseg-mentierung mit Methoden der Mustererkennung. Nach der Segmentierung historischer Datenströme und der Bestimmung repräsentativer Muster werden die Segmente in On-line-Signalen wiedererkannt. Nachdem ein ähnliches Segment erkannt wurde, wird eine unüberwachte Anomalieerkennung durchgeführt. Eine Anomalie-Klassifikation mit Hilfe selbstlernender Methoden und des formalisierten Domänenwissens ermöglicht die Ausgabe von Handlungsempfehlungen für den Benutzer oder Maschinenbediener. Alle entwickelten Methoden werden an drei ausgewählten industriell relevanten Anwen-dungsbeispielen validiert. Die Methoden werden in einer App implementiert

Entwicklung eines integrierten Ansatzes zur Optimierung von dünnwandigen Blechbauteilen im Karosserierohbau mithilfe von Toleranzsimulationen

Die Elektromobilität ist die wohl größte Herausforderung für die sich ständig weiterentwickelnde Automobilindustrie. Zur Bewältigung diese Wandels ist es zwingend notwendig, neben dem bestehenden Verbrenner-Produktportfolio ein zusätzliches Elektro-Produktportfolio zu installieren, um so den Anforderungen der Kunden gerecht zu werden. Dies führt allerdings zu einer Erhöhung der Derivatanzahlen im jeweiligen Unternehmen. Damit einher geht ein zusätzlicher Entwicklungsaufwand. Im Kontext des Karosserierohbaus bedeutet das, dass neben zusätzlichen neuen Anforderungen an den Rohbau (E-Drive, Batterieanbindung etc.), in gleichbleibender Entwicklungszeit mehr Fahrzeuge in die Serienreife überführt werden müssen. Vor dem Hintergrund einer drastischeren Verkürzung der Entwicklungszeit müssen die bestehenden Produktentwicklungsmethoden kritisch hinterfragt und optimiert werden. Eine Vernetzung der einzelnen Produktentwicklungsdisziplinen kann hier helfen. Dem Toleranzmanagement als bereichsübergreifende Disziplin kommt hier eine Schlüsselrolle zu. Diese Arbeit beschreibt die Methodik eines integrierten Ansatzes zur Optimierung von dünnwandigen Blechbauteilen im Karosserierohbau mithilfe von Toleranzsimulationen. Basierend auf der Analyse der Produkt- und Produktionsentwicklung im Kontext des Toleranzmanagements und der Optimierung wird Handlungsbedarf abgeleitet. Es werden informationstechnische, methodische, prozessuale und systemtechnische Defizite im heutigen Produktentstehungsprozess in Bezug auf das Toleranzmanagement ausgewiesen. Das im Syntheseteil der Arbeit vorgestellte Konzept, behebt schrittweise die ausgewiesenen Defizite. Im Vordergrund der Betrachtungen steht dabei vor allem die Beschreibung der informationstechnischen und methodischen Optimierungsmöglichkeiten. Abschließend wird das vorgestellte Konzept im Rahmen einer Software umgesetzt und basierend auf Produktentwicklungsdaten aus dem Karosserierohbau validiert.From the very beginning the automotive industry has been in a constant state of flux. Nowadays one of the mega trends is pointing towards electro mobility. To tackle this issue and to be more competitive, the automotive industry is forced to install a portfolio of electric vehicles beside the existing combustion engine vehicles. In industrial perspective, this leads to an increasing number of derivatives. The complexity hyped in development, boundary conditions and requirements (e.g. E-Drive, battery alignment etc.). The number of vehicles get into the series production at the same time increased. If consideration is taken for shortening the development time, current methods of product development has to be re-examined. One possible solution is a deeper interlinkage of the product development disciplines. Disciplines like dimensional management have a key role in that. By means of this research, a concept developed for the optimization of vehicle structure using tolerance analysis. Deficits are derived based on an analysis of product- and process development as well as optimization in context of dimensional management. In today’s context, identified deficits in data, methods, process as well as software. This causes problems in the dimensional management discipline. The synthesis part in this research is to solve stepwise the above mentioned deficits. Special attention made on deficits in the area of information provision and development methods. The research completed with concept implementation in software phase, as well as method validation using realistic (body-in-white) development data

Prozessstrategien für das automatisierte Preforming von bebinderten textilen Halbzeugen mit einem segmentierten Werkzeugsystem

Stamp preforming offers high potential for the production of complex, shell-shaped preforms, which is a key process in the manufacturing of continuous fibre-reinforced plastics.An innovative approach to improve preform quality consists in a segmented tooling system. The tooling system provides a multitude of options for tool segmentation and sequence, so that an intuitive definition of the tool setting is no longer possible. In addition, sequential closing of the tool segments changes the forming temperature and duration. Suitable activation parameters for the binder must therefore be defined to ensure low resistance to deformation and sufficient stability after the forming process. The objective of this thesis constitutes in the development of a method that defines the process strategy for preforming with a segmented tooling system based on a material and a component geometry. The process strategy includes tool segmentation and sequence as well as activation time and temperature. In this thesis, different models are developed and validated to define the process strategy, which are then combined into a systematic procedure. A simplified temperature model enables the calculation of the start and end temperature of the forming process for different tool segmentations and sequences depending on the material and contact parameters. The stability of the preform requires a balanced inter- and intra-laminar binder content. To determine this aspect, an impregnation model is presented. That way, a minimum forming and activation temperature as well as a short activation time can be identified. The definition of the tool segmentation is based on a geometric analysis of the part. The tool sequence is optimised by coupling an FE-based forming model with a genetic algorithm that minimises wrinkling in the preform. On the basis of two independent parts, the procedure to increase preform quality is validated. It is thus possible to produce more complex parts by defining a process strategy for preforming with a segmented tooling system compared to a non-segmented forming tool