Heinen, F.

Holland, M.

Kalwa, R.

Publikationsserver der Technischen Universität Clausthal

Institutsmitteilung Nr. 18 (1993) 51 PICASSO - Eine wissensbasierte Konstruktionsumgebung Heinen, F.; Holland, M.; Kalwa, R. Seit Januar diesen Jahres läuft am Institut für Ma-schinenwesen das Brite-EuRam Projekt PICASSO (Practical and Intelligent CAD for Assembly Ob-jects). Gegenstand dieses EG-Industrieprojektes ist die Entwicklung eines sogenannten Designer Support (DS)-System, also einer wissensbasierten Konstruktionsumgebung. Dies soll am Beispiel von Kunststoffspritzguß- und Umformwerkzeugen durchgeführt werden. Der vorliegende Bericht stellt den derzeitigen Stand und die weitere Vorgehensweise des Projektes dar. 1. Einleitung Im Projekt arbeitet ein Konsortium aus fünf europäi-schen Partnern gemeinsam an der gestellten Pro-blematik. Involviert sind das Softwareunternehmen DELCAM International aus Großbritannien, das In-stitut für Maschinenwesen der TU Clausthal, der Kunststoffspritzgußformenherstelier Mares SA aus Spanien, das Softwareunternehmen Techno-cad aus I rland und das Department of Mecanical En-gineering der Universität Liverpool. Die Verteilung der Aufgaben gliedert sich dabei wie folgt: Die Firma DELCAM International hat im Rahmen dieses Projektes die Funktion der Koordination bzw. der Projektleitung übernommen. Sie ist im wesentli-chen für die Softwareentwicklung verantwortlich. Das Institut für Maschinenwesen leistet Arbeiten im Bereich der Wissensakquirierung bzw. der Analyse des Konstruktionsprozesses von Kunststoffspritz-gußwerkzeugen. Ziel ist die Entwicklung eines STEP (Standard for the Exchange of Product Model Data) konformen InformationsmodeliszurBeschrei-bung funktionsorientierter Toleranzen sowie deren Festlegung mittels eines entsprechenden Software-moduls. Die Firma Mares SA liefert das zur EntwiCklung ei-ner solchen Software notwendige Experten-Know-How aus dem Bereich der Kunststoffspritzgußfor-menherstellung und bringt gleichzeitig ihre praxiso-rientierten Anforderungen an ein solches DS-System ein. Das Softwareunternehmen Technocad übernimmt eine beratende Rolle, da hier schon Erfahrungen in der EntwiCklung von DS-Systemen bei ähnlichen Problemstellungen vorliegen. Das Department of Mecanical Engineering arbeitet an der Analyse des Konstruktionsprozesses im Be-reich der Stanzwerkzeugherstellung und entwickelt in diesem Zusammenhang Regeln zur Beschrei-bung von Baugruppen (Assemblies). 2. Projektstart In der Projektstartphase wurde zunächst das nötige Wissen über Kunststoffspritzgußformen und den Konstruktionsprozeß solcher zusammengetragen. Zu diesem Zweck recherchierte das Institut für Ma-schinenwesen einige Monate bei der Firma Mares SA in Barcelona/Spanien. Allgemein lassen sich Kunststoffspritzgußformen in zwei Gruppen auftei-len. Auf der einen Seite die Standardformen für klei-nere Produkte wie Cremedosen, Telefongehäuse und andere Gebrauchsgegenstände des täglichen Bedarfs, auf der anderen Seite die Sonderformen für größere Produkte wie PKW-Stoßfänger, PKW-Armaturenbretter bzw. äußerst komplexe Produkte wie Getränkekästen und Laugenbehälter für Waschmaschinen. Im Bereich der Konstruktion von Standardspritzguß-formen existiert bereits das durch die Firma Techno-cad entwickelte DS-System CAMMold. Dieses DS-System unterstützt jedoch ausschließlich den Konstruktionsvorgang für Werkzeuge aus nahezu 100% Standardteilen. Es beinhaltet keine lernfähige bzw. konfigurierbare Komponente, die es dem An-wender gestattet, firmenspezifisches Know-How in das System zu implementieren. Es ist für den Ein-satz im Bereich großer bzw. komplexer Kunststoff-spritzgußformen, wie sie Gegenstand dieses Pro-jektes sind und bei der Firma Mares SA hergestellt werden, nicht in allen Fällen geeignet. Eine Vorstellung über den Komplexitätsgrad hier behandelter Kunststoffspritzgußformen liefert die Zusammenbauzeichnung in Bild 1. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß diese Zeichnung nur eine Ebe-52 ne der Spritzform zeigt. Bei besonders schwierigen Formen, insbesondere Spritzgußformen für PKW-Armaturenbretter - mit einem hohen Anteil an Frei-formflächen - wie sie auch in diesem Projekt behan-delt werden, kann ein Zeichnungssatz leicht bis zu mehreren hundert Einzelteilzeichnungen und Zu-sammenbauzeichnungen beinhalten. Bild 1 Kunststoffspritzgußform 3. SADT-Analyse des Konstruktionsprozesses von Kunststoffspritzgußformen Um die Struktur des Konstruktionsprozesses voll-ständig und abgestimmt auf den besonderen Ablauf im Kunststofformenbau zu erfassen wurde zunächst eine SADT-Analyse (Structurated Analysis and De-sign Technique) /1/ durchgeführt. Diese Methode wurde bereits in den 60iger Jahren in ihren Grundlagendurch das MIT (MassachLisetts In-stitut of T echnology) entwickelt· und eignet sich zur Systemanalyse komplexer Abläufe bzw. Gesamtak-tivitäten. Eine SADT-Analyse gliedert sich stets in zwei Teile: Den graphischen Teil, der in Form von sogenannten Aktigrammen eine hierarchische Aufgliederung der Gesamtaktivität in ihre Teilaktivitäten unter Berück-sichtigung einer festen Syntax darstellt, und den be-schreibenden Teil, der die Aktigramme in schriftli-che Form faßt und zusätzlich wichtige Erläuterun-gen gibt. Allgemein ist eine Aktivität, sei es Gesamt- oder Teil-Institutsmitteilung Nr. 18 (1993) aktivität, immer durch ihre Eingangs-, Ausgangs-und Steuergrößen sowie einwirkende Hilfsmittel ge-kennzeichnet (Bild 2). Steuergrößen , Input .. Aktivität .. Output A~ Hilfsmittel Bild 2 Schema eines Aktigramms Der Input (Eingangsgröße) einer Aktivität stellt in diesem Zusammenhang den Datenbestand dar, der im Rahmen der Aktivität verändert wird. Dieser ver-änderte Datenbestand liegt nach DurchfUhrung der Aktivität in Form von einem oder mehren Outputs (Ausgangsgrößen) vor. Diejenigen Größen, die die Durchführung der Aktivität beeinflussen, werden als Steuergrößen bezeichnet. Zur Durchführung der Aktivität Verwendete Hilfsmittel sind ebenfalls dar-gestellt. Die Bilder 3 und 4 zeigen die ersten zwei Seiten der in Spanien für die Kunststofformenkonstruktion er-stellten SADT-Analyse. Bild 3 stellt das sogenannte Kontext-Aktigramm dar. In ihm wird die im folgenden zu analysierende Gesamtaktivität mit allen einwirkenden Größen dar-gestellt. Als Input bzw. Steuergrößen sind hier der Konstruktionsauftrag, die Kunststoffteilzeichungen, die Kunststoffteiloberflächen und die technischen· Spezifikationen - insbesondere hinsichtlich des ver-wendeten Kunststoffmaterials - gegeben. Als weite-re Steuergröße Wirken die vom Kunden während des gesamten Konstruktionsvorgangs nachge-reichten Modifikationen. Sie spielen gerade im Be-reich der Kunststoffspritzgußteile eine sehr wichtige Rolle, da der Kunde normalerweise aus Gründen der Zeiterspärnis in einem sehr frühen Entwick-lungsstadium den Konstruktionsauftrag der Kunst-stoffspritzgußform an den Formenherstellervergibt. Nur diese Verfahrensweise macht es möglich, daß Institutsmitteilung Nr. 18 (1993) 53 USEDAT: AUTHOR: Frank Heinen DATE: OS/21/93 X VIIJRKING READER DATE CONTEXT: PROJECT: PICASSO (MARES) REV: 3.0 DRAFT RECOM/oIENDED Top NOTES: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 PUBLICATION Technische Spezffikationen Kunststoffteilzeichungen Kunststoffteilmodifikationen '""."'.'\'"- Kosten Know How Technische Beschränkungen Standardisierungen Informationen I 1 111, 1 '1 '1 , Produktmodell Kunststoffspritzgußformen-• Zeichungen Konstruktionsauftrag konstruktion Stücklisten AO Dokumentationen ~ • CAM'·lnformationen Standardteilekataloge Werkzeuge CAD Personal NODE: A-O FITLE: Kunststoffsprltzgußformenkonstruktion I NUMBER: Bild 3 Kontext-Aktigramm zur Kunststoffspritzgußformenkonstruktion die Kunststoffspritzgußform relativ schnell nach endgültiger Definition des Kunststoffteils zur Verfü-gung steht. Üblicherweise sind Fertigstellungszei-ten inklusive Konstruktions- und Montagezeiten von drei bis zwölf Monaten einzukalkulieren. Wird aller-dings parallel zur Entwicklung des Kunststoffteils die Konstruktion und Montage der Form vorgenom-men, bedeutet dies, daß zum Zeitpunkt der endgülti-gen Definition des Kunststoffteils nicht mehr die ge-samte Form, sondern nur noch die Formplatten (sog. Cavity undCore) konstruiert und gefertigt wer-den müssen. Alle übrigen Formelemente sind zu diesem Zeitpunkt bereits gefertigt und montiert. Die Form steht also in kürzestem Zeitraum zur Verfü-gung. Diese Art der parallelen Verfahrensweise - Kon-struktion zur Fertigung - ist im Bereich des Kunst-stofformenbaus üblich, und nurwenige Standardfor-men wie solche für Getränkekästen fallen aus die-sem Rahmen heraus und werden teilweise auf Vor-rat ohne konkreten Kundenauftrag gebaut. Die übrigen Steuergrößen, Hilfsmittel und Outputs sind für Konstruktionsprozesse allgemein übliche Größen. Haupt-Output ist das Produktmodell, also die Gesamtinformationen, die ein Produkt beschrei-ben. Bild 4 zeigt die Grundaktivitäten in der Kunststoff-spritzgußformenkonstruktion. Hier lassen sich die nach Pahl/Beitz 12/ postulierten Konstruktionsar-beitsschritte "Klären der AufgabensteIlung" , "Ent-werfen", "Konzipieren", "Ausarbeiten" in leichter Ab-wandlung wiedererkennen. Es soll an dieser Stelle aber nicht näher darauf eingegangen werden. In Bild 5 ist schließlich das aufgrund der SADT-Ana-Iyse erarbeitete Aktivitätenlisting dargestellt. Es gibt alle notwendigen Schritte vom Eingang des Kon-struktionsauftrags bis zur Erstellung der Enddoku-mentation bzw. allgemein des Produktmodells wie-der. 54 Institutsmitteilung Nr. 18 (1993) USEDAT: ,AUTHOR: Frank Heinen DATE: 05/21/93 X VIORI<ING READER DATE CONTEXT:' PROJECT: PICASSO (MARES) REV: 3.0 DRAFT RECOMM:NDED g NOTES: 1 2 34 5'S 7 8 9·10- PUBLICATION C5 Ko~n ca Know How CI echnische Spezifikationen C9 Informationen ca Standardisierungen C2 Kunststoffteiloberflächen C7 Technische Beschränkungen C3 .11, . C4 Kunststoffteilmodlflkatlonen Ir Klären der Konstruktionsauftrag Aufgaben- Einzelteile-Il po .tol''', I( und Zusammen-A1 ~ VzelChnUngen Stückliste für HauPtkompo~ Zusammen-Aufgaben-" baUZjChnUngen V CAM-Informationen steIlunQ ----. / Kon zeptuelle 05 ,I' Entw urfsphase ~ A2 ""-"I A~ / etal le rungs- Zeichungen und 01 ,/ ~ I\usarbei tungs ... 02 . phas e Rückkopplung Freigegebener A3!------ StQcklisten IOr weitere konzeptueller Optimierungen Entwurf , , ~ ./ Enddoku- Dokumentationen Zeichungen mentatlon 03 --~ '- 4 A4 Konstrukteure Stücklisten f j i Produktmodell "'" 04 M4 Standardteilekataloge M3 Werkzeuge MI Personal M2 CAD Konstrukteure NODE: AO , ITITLE: NUMBER: Kunststoffspritigußformenkonstruktion Bild 4 Aktigramm zum Ablauf einer Kunststoffspritzgußformenkonstruktion A1 Klären der AufgabensteIlung A 11 Analyse des Kilnststoffteils All1 Feststellung des Informationsstands A 112 Problemanalyse am Kunststoffleil A 113 Diskussion der Probleme mit dem Kunden A 114 Detaillieren des Kuriststoffleiloberflächenmodells A 12 Beschränkungen berücksichtigen A 121 Kunststoffspr~zgußmaschlnekenngrößen berücksichtigen A122 Lebensdauer bzw. Stückzahl festlegen A123 Spr~zzyklus und Anzahl der Teile in einer Form . berücksichtigen A13 Pflichtenheft vervollständigen A131 Kundenanforderungen festlegen A132 Angebotsanforderungenfestlegen ' A2 Konzeptuelle Entwurfsphase A21 Konzeptueller Entwurf der SprItzgußform A211 Berücksichtigung der Wärmedehnung des Kunststoff-spritzgußteIls A212 Festlegung der Spritzgußteilpos~lon A213 HInterschnitte berücksichtigen A22 Feststellen der Hauptfunktionsträger A221 Erstellen der Funktionsanalyse A222 Festlegung der Hauptfunktionsträger A2221 Festlegung der Hinterschniltsysteme A2222 Festlegung des Einspritzsystems und der -punkte A2223 Festlegung des Auswerfersystems und der -punkte A2224 Festlegung des Schließsystems A2225 Festlegung der Hauptplatten A2226 Festlegung der Führungssysteme A2227 Festlegung der Kühlung A23 Festlegung der Grundabmessungen A24 Analyse potentieller Probleme A25 Freigeben des konzeptuellen Entwurfs zusammen mH dem Kunden A26 Erstellen einer vorläufigen Stückliste für die Hauptteile A3 Detaillierungs- und Ausarbeitungsphase A31 DetailIierung des Spritzgußformzusammenbaumodelis A311 Hauptfunktionsträger detaillieren A3111 Exakte Gestalt und Dimension der Hauptfunk-tionsträger festlegen A3112 Toleranzen- und Oberflächenangaben für Hauptfunktionsträger festlegen A312 Nebenfunktionsträger festlegen A3121 Exakte Gestalt und Dimension der Nebenfunk-tionsträger festlegen A3122 Material der Nebenfunktionsträger festlegen A3123 Toleranzen- und Oberflächenangaben für Nebenfunktionsträger festlegen A313 KÜhlung-, Elektrik- und Hydrauliksysteme vorsehliln A314 Letzte Uberprüfung der DetaillIerungen . A32 Erstellen von Einzel- und Zusammenbauzeichungen A321 Zusammenbauzeichnungen erstellen A322 Baugruppenzelchungen erstellen A323 EinzeHellzelchungen erstellen A33 Stückliste erstellen A4 Enddokumentation A41 Erstellen von Schemata A411 Funktionsschema erstellen A412 Kühlungsschema erstellen A413 Hydraulikschemta erstellen A414 Elektrikschemata erstellen A42 Dokumentation erstellen A421 Kontroll- und Meßdokumentation A422 Enddokumentation erstellen Bild 5 Aktivitäten-Listing für die Konstruktion von Kunststoffspritzgußteilen Institutsmitteilung Nr. 18 (1993) 4. Toleranzenfestlegung Die Toleranz- bzw. Oberflächenfestlegung stellt heute immer noch ein hohes Potential an Rationali-sierungsmöglichkeiten in konstruktiven Prozessen dar. Leider liegen jedoch in diesem Wissensgebiet häufig nicht ausreichende Kenntnisse vor. Dies hat zur Folge, daß die Toleranzen bei der Festlegung zu sogenannten "Angsttoleranzen" werden, meist also viel zu eng angesetzt sind. Hieraus resultieren hohe Kosten für Fertigung, Montage und entsprechende Prüfverfahren. Ziel des PICASSO-Projektes ist es, für den Kunst-stofformenkonstrukteur notwendige Informationen für die Kunststoffspritzgußwerkzeugherstellung mit den entsprechenden Toleranzen In gegebenen Fäl-len zu verarbeiten. Mit Blick zurück auf die oben behandelte SADT-Analyse sind die Aktivitäten A3112 und A3123 - sie beschäftigen sich mit der Toleranz- bzw. Oberflä-chenfestlegung während des Kunststofformenkon-struktionsprozesses - hier besonders zu berück-sichtigen. Funktionsermittlung ~ Ermitllung der funktional erforderlichen Toleranzen + Uerteilung der Toleranzen auf die zu montierenden Teile + Ermitllung der uon den Toleranzen indirekt betroffen Teile • Übernahme der Toleranzen auf die indirekt betroffenen Teile Bild 6 Flußdiagramm: Toleranzfestlegung Zunächst wurde ein Flußdiagramm entwickelt, wei-ches den Verlauf einer Toleranzfestlegung im Kunststofformenbau beschreibt. Es gliedert sich in sieben Unterdiagramme, von denen hier exempla-risch zwei Diagramme vorgestellt werden sollen, wobei Bild 6 das Grunddiagramm und Bild 7 eine 55 tiefere Diagrammebene repräsentiert. Auf eine wei-tere Erklärung der Diagramme soll an dieser Stelle aber verzichtet werden. Nein Erstellen einer Liste uon zu tolerierenden Teilen F esllegen der phsikalischen Beziehungen Nein Gemeinsame Toleranzbreile inklusiue TOleranztyp ja Toleranz-informationen Bild 7 Flußdiagramm: Toleranzen an zu tolerieren-den Bauteilen festlegen Basierend auf dieser graphischen Darstellung der Toleranzfestlegung wurde im folgenden ein Klassifi-zierungsschlüssei zur Beschreibung aller relevan-ten Toleranzinformationen entwickelt. Er besteht aus fünf Unterschlüsseln und soll beispielhaft an ei-56 nem Unterschlüssel (Bild 8) erläutert werden. Der angesprochene Unterschlüssel beinhaltet sämtliche Funktionen, die durch Toleranzen in einer Kunststoffspritzgußform bewerkstelligt werden sol-len. Es ist also mittels dieses Klassifizierungs-schlüssels möglich, einem Bauteil eine funktional erforderliche Toleranz durch einen Buchstaben zu-zuordnen. Schlüssel Beschreibunq . DIN/ISO s dichten (sealing) 286 p positionieren (positioning) 1101 Ig führen (guiding) 286 c zentrieren (centering) 286 f passend (fitting) 7168 j pas~end bezogen auf Form I( ioinina) Bild 8 Unterschlüssel Mit Hilfe der übrigen entwickelten Unterschlüssel können zusätzlich noch Informationen überTeilebe-ziehungen untereinander, Toleranztypen, Relativ-bewegungen der Bauteile zueinander und vorgege-bene Toleranzen durch Zulieferteile in Code-Form abgelegt werden. 5 Abbildung funktional erforderlicher Toleran-zen Bild 9 zeigt eine Darstellung des EXPRESS-G /4/ Modells zur Abbildung funktional erforderlicher To-leranzen. Es wurde weitgehend STEP konform mo-delliert und zeigt die Definition der funktionsorien-tierten Toleranz, weche notwendig ist, wenn zwei constrained ,........,..--"-,----, tolerance -Institutsmitteilung Nr. 18 (1993) Bauteile eine bestimmte Funktion ausüben. Die In-formation, die für diese funktinsorientierte Be-ziehung zwischen zwei Teilen (bzw. zweier Featu-res) notwendig ist, wird durch das untenstehende Schema beschrieben. Die Möglichkeit, eine festge-legte Toleranz bspw. bei Standardteilen abzubilden, wird ebenfalls bereitgestellt. Literatur /1/ Marca, David A.; McGowan, Clement L.: SADT -Structured Analysis and Design Technique, McGraw-HiII, NewYork, 1986 /2/ Pahl, G.; Beitz, W.: Konstruktionslehre - Metho-den und Anwendung, Berlin, Heidelberg, New York1993 /3/ Holland, M.: Prozeßgerechte Toleranzfestle~ gung (Systemkonzept zur Bereitstellung von qualitäts relevanten Informationen für den Kon-struktionsprozeß am Beispiel derProzeßgenau-igkeit, JMW, Clausthal1993 /4/ ISO DIN 10303-11 The EXPRESS Language Reference Manual, International Organization for Standardization /5/ PICASSO-Project Report, IMW, Clausthal und Mares, Barcelona 6/1993 /6/ PICASSO Deliverable D 14-1 - Tolerance deter-mination methOdology, IMW, Clausthal 9/1993 /7/ PICASSO-DeliverableD12-1-Assemblydesign activity model, IMW, Clausthal9/1993 uppeCbound lowecbound ,..0..,.----, constrained !-"to"",lera"",n::o:.ce -----~-<IJ Bild 9 EXPRESS-G Darstellung des Modells zur Abbildung funktional erforderlicher Toleranzen /3/ 

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