Autodesk Kompendium
Digital Prototyping Potenziale f端r eine effiziente Produktentwicklung
Digital Prototyping
Konstruktion
Simulation
Visualisierung
Industriedesign
Datenmanagement
Kommunikation
Inhaltsverzeichnis Mit effizienteren Prozessen an der Spitze bleiben Moderne digitale Methoden helfen, den Vorsprung zu verteidigen
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3D-Modell – Basis des digitalen Prototypen Weniger Sand im Getriebe
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Belastungstests ohne zerstörte Produkte Festigkeit und Kinematik am CAD-Modell simulieren
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Schneller verstehen, worum es geht Die 3D-Visualisierung ist eine Erleichterung für alle Beteiligten im Entwicklungsprozess
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Neue Ideen in digitalen Formen Industriedesign – Systematischer Entwurfsprozess für perfekte Produkte
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PDM – Rückgrat der digitalen Entwicklung Geordneter Informationsfluss, Entlastung von Routineaufgaben und mehr Sicherheit
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Grenzenlos digital Offene Standards erleichtern die Zusammenarbeit über Systemgrenzen hinweg Digital zahlt sich aus Schneller, besser und profitabler durch digitale Produktentwicklung
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Digital Prototyping
Erfolgreiche Anwender berichten Digital Prototyping in der Praxis
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Digital Prototyping
Erschwingliche Werkzeuge 36 Günstiger Einstieg, ausbaufähig für höchste Anforderungen
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Konstruktion
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Visualisierung Visualisierung
Industriedesign
Datenmanagement
Kommunikation
Digital Prototyping
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Digital Prototyping Konstruktion Simulation Visualisierung Industriedesign Datenmanagement
Kommunikation
Editorial Spezialisierung und großes Fachwissen sind die Standortvorteile der Fertigungsindustrie in Deutschland, Österreich und in der Schweiz. In digitalen Produktionsnetzwerken verbinden Lieferanten, Hersteller, Ingenieure und Facharbeiter ihr Know-how und bauen damit ihre Marktstellung weiter aus. Die resultierenden Effizienz- und Produktionssteigerungen sind auch Gründe dafür, dass immer mehr Produktionen aus Osteuropa wieder zurück verlagert werden, da dort die Kostenvorteile schrumpfen. Studien führten zum Ergebnis, dass momentan nur die Elite der Fertigungsindustrie digitale Prozesse gut beherrscht. Das bedeutet, dass eine Mehrzahl der Unternehmen im Bereich der digitalen Produktentwicklung noch Nachholbedarf hat, beziehungsweise viel ungenutztes Potenzial vorhanden ist. Dies ist durchaus positiv zu bewerten, da die Stellung der Maschinenbauindustrie noch stark ausgebaut werden kann, wenn auch die mittelständischen Unternehmen sich auf die neuen Methoden einlassen. Digitale Produktentwicklung und vor allem die Erstellung von digitalen Prototypen helfen Unternehmen schon jetzt, enorme Kosten einzusparen und effektiver zu arbeiten. Dabei befinden sich die Prozesse erst am Anfang. Es ist jedoch sicher, dass es in Zukunft für Unternehmen nötig sein wird, diese zu beherrschen, um im Wettbewerb bestehen zu können. Dieses Kompendium soll einen Beitrag dazu leisten, die Chancen der digitalen Produktentwicklung aufzuzeigen – damit die mitteleuropäischen Maschinenbauer ihren Vorsprung halten und weiter ausbauen können. Ihr
Burkhard Hörnig, Produktmanager Mechanik und Maschinenbau, Autodesk, München
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Mit effizienteren Prozessen an der Spitze bleiben Moderne digitale Methoden helfen, den Vorsprung zu verteidigen
Die digitale Produktentwicklung ist keine Zukunftsmusik, sondern eine reale und notwendige Methode, um die Entwicklungsprozesse effizienter zu gestalten und signifikant zu beschleunigen. Die Maschinenbauer in Deutschland, Österreich und der Schweiz haben ihre hervorragenden Positionen auf den internationalen Märkten ausgebaut. Jetzt gilt es, den Schwung zu nutzen und sich für schwierigere Zeiten zu rüsten, denn die Aufsteiger in den Schwellenländern lernen rasch. Deshalb müssen sich die Unternehmen hierzulande permanent anstrengen, damit der Abstand nicht kleiner wird. Es gilt, die Stärken weiter zu nutzen. Doch wo gibt es noch Reserven? Eine Studie von Autodesk liefert Hinweise. Marktforscher untersuchten die Methoden der Produktentwicklung in über 250 Unternehmen im Auftrag von Autodesk . Die Ergebnisse zeigen, dass vor allem bei bereits bestehenden Prozessen noch viel ungenutztes Potenzial für eine höhere Produktivität besteht. Zwar erkennen die Unternehmen nach eigenen Angaben, dass in der digitalen Produktentwicklung ein Weg zu mehr Wirtschaftlichkeit liegt, aber sie nutzen sie nicht oder zumindest nicht optimal. Die Studie zeigt: Mittelständische Unternehmen verzichten dabei auf Kosteneinsparungen in der Größenordnung von 800.000 Euro pro Jahr. Die Marktforscher sehen vor allem aber in der Verbesserung von Prozessen Chancen für die Maschinenbauer, den Vorsprung zu halten oder zu erweitern. Der Schlüssel zu einer effizienteren Entwicklung und Produktion liegt im Konzept einer durchgängig digitalen Produktentwicklung. Alle Phasen der Produktentwicklung verbinden Traditionelle Wege und Gewohnheiten in den wichtigen Phasen des Produktzyklus stehen einer vollständig digitalen Kommunikation im Wege. Angefangen bei der Ideenfindung und Konzeption über die Entwicklung und Konstruktion bis hin zur Fertigung sind noch viele Hürden und Engpässe auf dem Weg zur digitalen Produktentwicklung zu beseitigen. Natürlich gibt es innovative Unternehmen, welche die Vorteile einer digitalen
„Wirtschaftsfaktor Konstruktion. Ungenutztes Potenzial im Engineering.“ Eine Studie von Marketing Essentials im Auftrag von Autodesk, München 2006
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Produktentwicklung schon gewinnbringend nutzen, aber viele Unternehmen stehen dieser noch skeptisch gegenüber und sind noch nicht überzeugt. Letztere verschenken wichtige Reserven. Ein großer Teil der konzeptionellen und kreativen Entwicklungsarbeit findet auf Papier und an Wandtafeln statt – also auf Formaten, die nicht gerade kompatibel sind mit Tabellenkalkulation, Textverarbeitung und anderen Anwendungen, in denen Marktanalysen, Ideen und erste Skizzen erfasst werden, die der Formgebung und Ausführung vorangehen. Industriedesigner verwenden nach wie vor Tonmodelle, um Formen physisch zu erarbeiten und zu verifizieren. Danach sind diese analogen Modelle mit großem Aufwand in Daten zu konvertieren, die anschließend in der Konstruktion verwendet werden können, um die mechanische Struktur und die Teilsysteme des Produkts zu entwickeln. Wenn die Formgebung und Visualisierung digital durchgeführt würde, könnten die Daten von den nachfolgenden Anwendungen in der Entwicklung direkt genutzt werden.
Konzeptionelle und kreative Entwicklungsarbeit
Reales Modell im Maßstab 1:4 (Quelle: Technicon Design)
Ingenieure und Konstrukteure waren ein Jahrhundert lang vor allem damit beschäftigt, Geometrie aufs Papier, bzw. in den letzten zwei Jahrzehnten in ihr CAD-System, zu bringen. Erst in jüngster Zeit sind Systeme verfügbar, die den Konstrukteur mit Funktionen und kompletten Maschinenelementen arbeiten lassen, die das Arbeiten auch in
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großen Baugruppen erlauben. Erst jetzt können sich Konstrukteure freimachen von der unproduktiven Zeichenarbeit und sich ihrem eigentlichen Beruf, dem des Konstrukteurs, widmen. Sobald Konstruktionszeichnungen in die Fertigung gehen, wird oft eine E-Mail oder gar noch eine papier-basierte Kommunikation genutzt, um Fragen mit der Konstruktion zu klären, statt schnellere und präzisere digitale Methoden zu verwenden. Vielfach dienen aufwändige reale Prototypen als Basis für die Klärung offener Fragen. Das ist zeitraubend und teuer. Digitaler Informationsfluss Ein durchgängig digitaler Informations- und Datenfluss rund um ein integriertes Gesamtmodell schafft Abhilfe. Alle am Entwicklungsprozess beteiligten Abteilungen, vom Industriedesign bis zum Verkauf, sollen in diesen Informationsfluss eingebunden werden. Die Einbeziehung der Arbeitsvorbereitung hilft beispielsweise, die Fertigungsprobleme eines Entwurfs in sehr frühen Phasen zu diskutieren. Dabei ist das Kontrollund Steuerinstrument für den Informationsfluss ein Produktdatenmanagement (PDM)-System. In der 3D-Konstruktion und bei der Zusammenarbeit größerer Teams ist es unverzichtbar.
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Virtueller Prototyp
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Digitale Produktentwicklung – durchgängig digitaler Informationsfluss rund um ein integriertes Gesamtmodell. (Bild: Autodesk)
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Kommunikation
Ein digitaler Prototyp ist eine Simulation des realen Produktes und dient nicht nur dazu, die Form, Abmessungen und Funktionen zu überprüfen: Er wird laufend erweitert und immer mehr vervollständigt. Alle konzeptionellen, mechanischen und elektrischen Konstruktionsdaten kommen hinzu. Je vollständiger der digitale Prototyp beschrieben ist, desto perfekter kann eine Simulation des kompletten Endprodukts zur Optimierung und Validierung durchgeführt werden. Die perfekte Visualisierung des Prototyps erleichtert das Verständnis und die Kommunikation aller Beteiligten in der Entwicklungsphase. Sie reduziert den Änderungsbedarf und den Aufwand für den Bau von Prototypen. Eine Studie der Aberdeen Group2 zeigt, dass erfolgreiche Unternehmen sich genau mit diesen Methoden ihre Vorteile erarbeiten. Doch was nützen die digitalen Verfahren, wenn sie für die mittelständischen Maschinenbauer unerschwinglich sind? Diese Broschüre gibt einen Überblick über die grundlegenden Technologien einer digitalen Produktentwicklung, die real anwendbar ist und sich heute bereits bei vielen mittelständischen Unternehmen bewährt. Sie beschreibt den digitalen Prozess von der Idee bis hin zum fertigen Produkt. Als Basis dient die 3DKonstruktion. Beschrieben werden aber auch die integrierten Auslegungs- und Simulationsverfahren sowie der für den effizienten Gesamtprozess so wichtige durchgehende, digitale Informationsfluss. Autodesk verfolgt einen Weg, der die digitale Produktentwicklung für kleine und mittlere Unternehmen bezahlbar macht, ohne auf die Ausbaufähigkeit und Skalierbarkeit zu verzichten, die für große Organisationen erforderlich sind. Diese Strategie hat bereits zu einem umfangreichen Produktportfolio geführt, das im letzten Abschnitt dieses Kompendiums vorgestellt wird.
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„The Digital Product Development Benchmark Report“, Aberdeen Group, März 2007
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Kommunikation
3D-Modell – Basis des digitalen Prototypen Weniger Sand im Getriebe Die vollständige 3D-Darstellung von Entwicklungsobjekten führt zu beschleunigten Prozessen, besserer Kommunikation zwischen den Beteiligten und höherer Qualität der Konstruktionen. Die Entwicklung der 3D-CAD-Systeme hat rasante Fortschritte gemacht, die vor allem den Innovationen bei Hardware- und Software-Technologien zuzuschreiben sind. Leistungsfähige PCs stehen auf jedem Schreibtisch. Moderne 3D-Systeme sind einfach zu erlernen und intuitiv zu benutzen. Immer mehr Konstrukteure sind vom Nutzen und den Vorteilen der 3D-Technik überzeugt: anschaulichere und vollständige Darstellung, einfachere Änderungen, weniger Fehler in der Konstruktion und bessere Zusammenarbeit im Team. Seit die 3D-Konstruktion die Darstellung und Bearbeitung selbst größter Baugruppen und realer Maschinen beherrscht, zieht sie in ganzer Breite in vielen Konstruktionsabteilungen des mittelständischen Maschinenbaus ein. Voraussetzung für die digitale Produktentwicklung Die 3D-Konstruktion ist die unverzichtbare Basis für die digitale Entwicklung. Das 3D-Modell ist der Know-how-Träger für alle anschließenden Prozesse. Viele Aufgaben sind ohne 3D nicht machbar, sowohl in der Konstruktion als auch bei nachfolgenden Schritten, beispielsweise der Optimierung komplexer Baugruppen in engen Bauräumen, der Gestaltung von Freiformkörpern, der Visualisierung komplizierter Bauteile oder Berechnungen. Die 2D-Darstellung ist dagegen unvollständig und uneindeutig. Für die Automatisierung von Aufgaben ist sie nur bedingt geeignet. Hat man dagegen ein vollständiges 3D-Modell, ergeben sich 2D-Ansichten und Schnitte automatisch. Die Erstellung von Fertigungszeichnungen mit Bemaßungen und Beschriftungen ist eine problemlose Routinetätigkeit, ebenso wie die Ableitung von Varianten. Im 3D-CAD-System bedeutet das minimalen Aufwand. Vorteil der 3D-CAD-Konstruktion: Varianten und Familien Die Variantenkonstruktion und Entwicklung von Produktfamilien gehören zu den Anwendungsgebieten, bei denen sich die CAD-Technik als besonders effizient erweist. Wer Unternehmensziele wie die Erfüllung der individuellen Kundenwünsche bei schnellerer Auftragsabwicklung und niedrigen Fertigungskosten unter einen Hut bringen will, kommt um ein modulares Baukastensystem nicht herum: Produktfamilien müssen in möglichst wenige, aber vielfach verwendbare Bauteile und Baugruppen gegliedert werden, welche die Kombination möglichst vieler Varianten erlauben. I Autodesk Kompendium
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Kommunikation
Produktionsanlage für Luftpolsterfolien (Bild: Alpha Marathon Technologies Inc.)
Parametrische 3D-Konstruktionssysteme unterstützen den Aufbau von standardisierten Bauteilen besonders effizient. Autodesk wendet die parametrischen Verfahren auch auf Baugruppen an. Analog zu den Einzelteilen lassen sich die parametrischen Baugruppen als tabellarisch definierte Zusammenstellung von Komponenten darstellen. Die Baugruppenkonfiguration deckt flexibel alle denkbaren Konfigurationswünsche ab. So kann der Anwender einfach eine vorhandene Baugruppe verwenden und sie in eine parametrische Baugruppe (iAssembly) umwandeln. Anschließend kann er die Baugruppenkonfiguration (Mutter-Baugruppe) nach seinen Wünschen modifizieren. Soll eine Tochterbaugruppe geändert werden, so lässt sie sich aktivieren und anpassen. Das kann beispielsweise die Entfernung einer Komponente in einer bestimmten Variante bedeuten, oder auch die Einbeziehung anderer Elemente, veränderte Einbaubedingungen, eine alternative Befestigungsart und so weiter. Logische Bedingungen (z.B. if-then-else Konstruktionen), wie man sie von Excel kennt, dienen bei den iAssemblies dazu, Konfigurationsvarianten zu definieren, die nicht geometrisch-ähnlich sind. Dabei erfasst der Baugruppenkonfigurator alle abgeleiteten Varianten (Töchter) in einer Stückliste. Inventor unterstützt die Darstellung der iAssemblies in einer Strukturansicht, welche die zusammengesetzte Stückliste enthält. Jede Konfiguration wird in einer separaten Spalte erfasst, in der die Stückzahlen der Komponenten aufgeführt sind. Der Stücklisten-Editor erlaubt wahlweise die Auflistung einer einzelnen Variante, einer Auswahl von Töchtern oder eben des kompletten Satzes aller Varianten. So lassen sich z.B. komplette Produktprogramme vollständig beschreiben. Typische Beispiele von iAssemblies sind: eine Familie von Hydraulikzylindern mit abgestuften Hubklassen und unterschiedlichen Ausprägungen der Anschlusspunkte oder eine Familie von Spann elementen für den Vorrichtungsbau. Autodesk Kompendium I
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Automatisierung des Vertriebs Der Ausbau der Baugruppenkonfiguration und die Kombination mit einem Angebotssystem macht daraus ein effektives Werkzeug für den Verkauf. Es kennt alle zulässigen Konfigurationen und erstellt im Auftragsfall alle Fertigungsunterlagen automatisch. Es erlaubt variable kundenspezifische Angebote, ohne dass die Konstruktion damit befasst ist. Unter dem Namen Autodesk Intent gibt es von Autodesk einen erweiterten Produktkonfigurator. Ein Kunde kann ihn zusammen mit Consulting-Dienstleistung erwerben, um eine integrierte Lösung maßgeschneidert zu realisieren. Es ist aber auch möglich, ihn selbst einzuführen, um automatisierte Vertriebstools in eigener Regie zu entwickeln. Ein solcher Konfigurator ist sinnvoll, wenn die Produkte eines Herstellers nicht in einem Katalog abgebildet werden können, weil es zu viele freie Parameter gibt, so dass keine fertigen Produkte definierbar sind. Ein Beispiel ist ein Planungsund Angebotsprogramm für Gebäudelifte. Lifte müssen immer an die Gebäuderandbedingungen wie Zahl der Stockwerke, verfügbarer Bauraum, Stockwerkshöhe, zu befördernde Personenzahl oder Lasten, Türöffnung usw. angepasst werden. Zu jeder Zeit soll auf Knopfdruck eine Kostenkalkulation für den Kunden möglich sein. Der Vertriebsmitarbeiter kann so kundenspezifisch schnell eine Anlage konfigurieren, die am Ende auch allen Sicherheitsanforderungen und dem finanziellen Rahmen entspricht. Effizienz in der Konstruktion durch Kaufteile und Normteile Ein wichtiger Faktor für die Effizienz in der Konstruktion ist eine gute Integration von Kauf- und Normteilen. Kaufen ist in der Regel günstiger und schneller als selbst bauen. Die Kaufteilebibliothek erspart den Modellieraufwand der Lieferanten-
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Die Spannelemente dieser Vorrichtung unterscheiden sich in der Größe und Konfiguration – Beispiel für die parametrische Baugruppenkonfiguration des Autodesk Inventor (Bild: Autodesk)
Biegekopf einer Biegeanlage für Betonbewehrungen konstruiert mit Autodesk Inventor (Bild: Filzmoser)
Industrienähmaschine (Bild: Unicorn)
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teile und hilft Fehler zu vermeiden, denn die Katalogdaten sind aktuell, ihre Qualität ist gesichert und die Stücklistendaten werden mitgeliefert. Durchgängige digitale Prozessketten auf Basis von CAD-Daten Die größten Rationalisierungseffekte erzielen Unternehmen, denen es gelingt, automatische Prozessketten auf der Basis von CAD-Daten einzurichten, die bis in die Fertigung reichen. Nicht selten besteht die überwiegende Zahl der Teile einer Maschine oder eines Gerätes aus Blech. Diese Teile sind meist räumliche Gebilde, mit Faltungen und Biegekanten in unterschiedlichen Richtungen. Deshalb ist ihre Darstellung und Abwicklung eine Aufgabenstellung, die sehr effizient in einem 3D-CAD-System bearbeitet wird.
Blechkonstruktion mit Inventor (Bild: Autodesk)
Blechkonstruktion mit Inventor (Bild: Autodesk)
Blechkonstruktion mit Inventor: Fahrerkabine eines Seitenstaplers (Bild: Hubtex)
Die Übergabe der CAD-Daten an Laserschneidemaschinen erfolgt in der Regel über Standard 2D-Schnittstellen. Der Operator des Schneidezentrums kann die Blechkonturen so direkt in seine Nesting-Software übernehmen, die Anordnung optimieren und schließlich schneiden. Das spart viel Zeit ein. Sollte eine Änderung an einer Bauteilgeometrie erforderlich sein: Kein Problem – der weitgehend automatisierte Prozess vollzieht die Änderungen, ohne dass in den einzelnen Prozessschritten Eingriffe erforderlich sind.
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Modellbauer erzielen Produktivitätsverbesserungen von 60 Prozent und mehr. Sie kommen heute ohne ein leistungsfähiges 3D-System nicht mehr aus. Für die meist komplexen Formen der Gussmodelle ist eine 3D-Modellierung unverzichtbar. Die 3D-Modelle dienen direkt als Basis für die CAM-Software, mit der interaktiv die Bearbeitung an den Mehrachsen-Fräsmaschinen programmiert wird. Noch schneller sind Modellbauer, wenn sie Rapid-Prototyping-Verfahren einsetzen können, dann entfällt die Programmierung der Universal-Fräsmaschinen. Integration elektrischer und mechanischer Komponenten In fast allen mechanischen Geräten kommen elektrische Antriebe und elektronische Steuerungen vor. Vor allem, wenn die Bauräume knapp sind, müssen sich mechanische und elektrische Komponenten den Platz teilen. Autodesk Inventor Professional unterstützt beide Fachbereiche in einem System. Selbst wenn unterschiedliche Abteilungen diese Aufgaben bearbeiten: Sie arbeiten mit der gleichen Software und dem gleichen Datenformat und können ihre Ergebnisse problemlos in den virtuellen Prototyp integrieren.
Mechanischer und elektrischer Aufbau eines PC (Bild: Autodesk)
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Letzte Teile des Puzzles: Rohrleitungen und Schläuche Ähnlich verhält es sich mit Problemstellungen, die eine Unterstützung bei der Konstruktion von Rohrleitungen und Schläuchen erfordern. Man denke nur an den gesamten Bereich der hydraulischen und pneumatischen Steuerungen und Antriebe, die Zuführung von Kraftstoffen oder Gas, Kühlkreisläufe u.v.m. Ein separates Plant-Design-System für diese Aufgaben einzusetzen, wäre eine kostspielige Angelegenheit. Den meisten mechanischen Konstruktionssystemen fehlen jedoch wichtige Eigenschaften, die der Rohrkonstrukteur braucht, um effizient zu arbeiten. Für diese Anwendungen wurde das Paket Autodesk Inventor Professional mit umfangreichen Funktionen ausgestattet, welche die Konstruktion von Rohrleitungen und Schlauchverbindungen erleichtern. So kommt dem Anwender zugute, dass er in seinem vertrauten System arbeiten kann, geringe zusätzliche Kosten entstehen und alle Daten einheitlich verwaltet werden.
Rohrleitungskonstruktion – Integration eines Stromaggregats mit sämtlichen Zuleitungen für Kühlung, Treibstoff, Steuerung und Abgas in den beengten Bauraum eines Schiffes (Bild: CAD’indus, Mulhouse)
Pharmazeutische Anlage (Bild: Skidtech Engineering of Charleville, CO. Cork, Ireland)
Ganzheitliches digitales Modell im Zentrum der Produktentwicklung Moderne 3D-Systeme stellen virtuelle Produkte umfassend dar. Neben der Geometrie und Attributen wie Masse, Material und Oberfläche sind es vor allem funktionale Zusammenhänge, die das digitale Modell beschreiben. Alle Projektbeteiligten arbeiten mit diesem ganzheitlichen und integrierten digitalen Prototyp im gesamten Prozess der Produktentwicklung. Medienbrüche oder Inkompatibilitäten, die Konvertierungsaufwand oder Informationsverluste bedeuten würden, werden vermieden. Der Gesamtprozess wird abgekürzt und der digitale Prototyp ist leicht zu überprüfen. Fehler, die früher am Brett oder in der 2D-CAD-Konstruktion oft unvermeidlich waren, treten gar nicht auf. Änderungen kommen weniger häufig vor und wenn doch, dann sind diese einfacher und schneller durchzuführen. Viele „Try & Error“-Iterationen und der Bau physischer Prototypen können entfallen, da die Qualität des digitalen Prototyps oft ausreicht, um ohne Verzug an den Bau der realen Anlage zu gehen. Autodesk Kompendium I 13
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Belastungstests ohne zerstörte Produkte Festigkeit und Kinematik am CAD-Modell simulieren Auslegung von Maschinenelementen und konstruktionsbegleitende Berechnungen kritischer Bauteile führt der Konstrukteur am digitalen Prototyp durch. Methoden, die in der Vergangenheit aus Kostengründen den Entwicklungszentren der Großunternehmen und Forschungszentren vorbehalten waren, stehen heute am CADArbeitsplatz zur Verfügung. Am liebsten gestern! Diesen Satz hören Konstruktions- und Entwicklungsleiter nur zu oft. Sie sollen komplexe Produkte in immer kürzerer Zeit entwickeln. Gleichzeitig wachsen die Anforderungen an die Qualität und an den Nachweis der Festigkeit der beanspruchten Komponenten. Analyse und Simulation der dynamischen Beanspruchungen an einem digitalen Prototyp spielen deshalb eine wichtige Rolle. Je früher sie durchgeführt werden, umso geringer sind Aufwand und Verzögerungen durch notwendige Änderungen. Software mit Ingenieurwissen Einen großen Schritt machte Inventor vor zwei Jahren mit der Einführung der „funktionsbestimmten Konstruktion“. Damit ließ das Autodesk 3D-System die einfache Geometriedokumentation hinter sich und ermöglicht dem Konstrukteur das direkte Auslegen und Einfügen von passenden Funktions- und Maschinenelementen wie Schraubenverbindungen, Wellen, Wälzlager, Zahnradgetrieben, Federn, Passungen, Bremsen u.v.m. in den Entwurf. Dubbel bleibt im Regal Ein großer Teil des Grundwissens des Ingenieurs wurde direkt in Inventor implementiert. Der „Dubbel“ oder „Hütte“ kann im Regal bleiben. Was der Konstrukteur früher auf dem Skizzenblock rechnete, erledigt heute die Software und baut die Elemente gleich in die 3D-Baugruppe ein. Schraubenverbindungen, die häufig benutzt werden, legt der Konstrukteur als Vorlage beziehungsweise „Favoriten“ ab. Das sorgt dafür, dass mehr Gleichteile zum Einsatz kommen, was Beschaffungs- und Lagerkosten reduziert. Berechnungen werden als kompletter Bericht mit allen Lastannahmen, Lagerbedingungen, Sicherheitsfaktoren, ermittelten Spannungen zusammen mit der Baugruppe abgespeichert. Sie sind Teil des digitalen Prototyps und exportierbar, beispielsweise als HTML-Datei. Sie stehen damit für eine Überprüfung jederzeit zur Verfügung, zusammen mit den Konstruktionsdaten, die im Rahmen der Dokumentationspflichten ohnehin archiviert werden müssen. Die Berechnungen führen zu optimierten und sicheren Konstruktionen. Sie helfen, überdimensionierte und damit kostspielige Konstruktionen zu vermeiden. 14 I Autodesk Kompendium
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Dynamische Simulation Autodesk Inventor Professional beherrscht die Simulation dynamisch beanspruchter Maschinen und Geräte, einschließlich der Berechnung von Kräften, Massenkräften, Lagerkräften oder Drehmomenten. Der Konstrukteur braucht kein Simulationsfachmann zu sein, um beispielsweise einen Hydraulikzylinder auszulegen, die Torsionsbeanspruchung einer Welle oder die Belastung eines Lagers unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens eines Systems zu berechnen oder Bahnkurven automatisch und komplett zu ermitteln. Die Simulation erspart den Entwicklern aufwendige Analysen an realen Systemen. Da die Ergebnisse sehr früh in der Entwicklung zur Verfügung stehen, lassen sich kostspielige Iterationen und Änderungen in späteren Phasen vermeiden. Dynamische Simulation mechanischer Systeme (Quelle: Autodesk)
Dynamische Simulation eines Ventilantriebs und grafische Darstellung der Analyse (Quelle: Autodesk)
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Die vollständige Integration der Simulationssoftware in die CAD-Software vereinfacht die Vorbereitungsmaßnahmen. Die Übernahme der Verbaubedingungen von Komponenten in den Baugruppen erfolgt optimal. Es ist kein doppelter Aufwand für die Vorbereitung der Simulation nötig. Anschließend sind weitere Randbedingungen festzulegen wie Schwerkraft, Reibung, äußere Kräfte und Antriebe. Die Ergebnisse der Simulation (Wege, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen, Kräfte und Momente) können in grafischer Form oder in einer Excel-Datei ausgegeben werden. Natürlich ist alternativ oder ergänzend die visuelle Überprüfung in einer animierten 3DDarstellung auf dem Bildschirm möglich. Eine Wegaufzeichnung kann zur Erzeugung einer Kurvenscheibe verwendet werden. Die errechneten maximalen Kräfte dienen direkt als Input für die Festigkeitsanalyse einzelner Bauteile im FEM-Modul von Inventor Professional oder in einem FEM-System wie DesignSpace. Schneller und genauer Die Integration von FEM-Software in Inventor Professional ist die Erfüllung einer Wunschvorstellung der Ingenieure. Der Konstrukteur kann seine CAD-Geometrie hinsichtlich Festigkeit optimieren und umgehend anpassen. Unterschiedliche Varianten sind schnell überprüft. Für die Berechnung sind keine externen Spezialisten und langwierigen Kommunikationswege erforderlich. Die Handhabung des Systems ist einfach und in kurzer Zeit erlernbar. Der Konstrukteur kann selbst in wenigen Minuten am Arbeitsplatz Tendenzen und Problembereiche erkennen. Eine FEM-Netzgenerierung mit partieller Verdichtung ist in der Software enthalten.
FEM-Berechnung eines Bauteils (Bild: Autodesk)
Bessere Konstruktionen – weniger Kosten Die Berechnung kann jetzt in einer frühen Phase der Produktentwicklung beginnen. Schwachstellen werden zeitig ausgemerzt und konstruktive Varianten schnell verglichen, um bessere Alternativen zu finden. Das führt zu optimierten Entwürfen, mehr Sicherheit, reduziert die Anzahl teuerer Prototypen und verkürzt die Entwicklungszeit insgesamt.
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Der Konstrukteur prüft selbst seinen Entwurf, bekommt unmittelbares Feedback, lernt dabei für die Gestaltung künftiger Objekte und spart Zeit und Kosten. Zusammen mit der Simulation der Dynamik und den praxisnahen Auslegungsfunktionen von Maschinenelementen und Standardkomponenten stehen dem Konstrukteur damit Werkzeuge zur Verfügung, die ihn sehr früh im Entwurf unterstützen und die Entwicklungszeit verkürzen.
FEM-Netz - generiert in Autodesk Inventor Professional (Quelle: Autodesk)
Berechnung von Spannungen, Verformungen und Eigenfrequenzen in Autodesk Inventor Professional (Quelle: Autodesk)
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Schneller verstehen, worum es geht Die 3D-Visualisierung ist eine Erleichterung für alle Beteiligten im Entwicklungsprozess Mit der digitalen Produktentwicklung steht ein virtuelles Modell von Anfang an zur Verfügung. Der Zusammenbau lässt sich daran unter diversen Gesichtspunkten einfach überprüfen. Bei räumlich beengten Verhältnissen ist das 3D-Modell unverzichtbar. Der Konstrukteur untersucht die Montagebedingungen am Bildschirm, führt Funktionstests und kinematische Analysen am digitalen Prototyp durch. „Mit Inventor können wir unsere komplexen Strukturen besser darstellen. Viele komplizierte Zusammenhänge sind leichter vorstellbar. In der Entwurfsphase lassen sich so Fehler vermeiden und die Diskussion mit den Kunden wird erleichtert“, erklärt Dr. Elmer Weisshuhn, Leiter der Konstruktion bei Voith Paper. Die 3D-Visualisierung hilft im Vorfeld, Details genauer und eindeutiger festzulegen als früher in 2D. Zweideutigkeiten werden vermieden und die Fehlerquote wird reduziert. Es gibt Konstruktionsaufgaben, die sich nur in 3D vernünftig darstellen lassen, beispielsweise Freiformflächen, diagonal durch den Bauraum verlaufende Rohre etc. Durch das Denken in orthogonalen Ansichten übersah der Konstrukteur früher leicht eine möglicherweise einfachere und kostengünstigere Lösung quer durch den Bauraum. Leichter verstehen Die 3D-Konstruktion kommt auch in der Werkstatt sehr gut an. Die Mitarbeiter begrüßen die 3D-Darstellungen. Manchmal suchen sie die Konstruktionsabteilung auf, um sich eine 3D-Visualisierung zeigen zu lassen, weil sie eine komplexe Zeichnung nicht ganz verstehen. Direkt aus dem CAD-System lassen sich mit wenig zusätzlichem Aufwand isometrische oder perspektivische Darstellungen und Explosionszeichnungen erstellen, die Fertigungszeichnungen, Betriebsanleitungen und Servicehandbücher leichter verständlich machen, ebenso Videos (AVI-Dateien) als Montageanleitung oder für Präsentationszwecke zusammenstellen. 18 I Autodesk Kompendium
Combi-Presse (Bild: Voith Paper)
Legepresse (Bild: Voith Paper)
Elite 8/51 CNC Drehmaschine (Bild: Hardinge)
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Schnellere Entscheidungen Die realitätsnahe Visualisierung mit Inventor hilft Entscheidungen schneller zu treffen. Der permanente Prozess der Koordination wird effizienter und unterstützt die Kostenoptimierung. Konferenzen, an denen oft viele Mitarbeiter einschließlich der Geschäftsleitung über Stunden teilnehmen, sind effektiver, wenn alle Beteiligten sich etwas vorstellen können. 3D hilft verkaufen Viele Firmen nennen die besseren Möglichkeiten der Produktpräsentation für den Vertrieb als ausschlaggebende Motivation, um in 3D-CAD zu investieren. Die 3D-Visualisierung ist eine unschätzbare Hilfe, ja häufig sogar Voraussetzung, um überhaupt im Rennen zu bleiben. Eine interaktive, detaillierte, realitätsnahe Präsentation einer geplanten Anlage beseitigt Projektrisiken für Kunden und Lieferanten. Bei Anlagen im Wert von mehreren Millionen Euro fühlen sich alle Beteiligten wohler, wenn die Planung möglichst genau ausgearbeitet ist und alle Funktionen klar zu verstehen sind.
Helikopter-Rotor (Bild: Autodesk)
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Neue Ideen in digitalen Formen Industriedesign – Systematischer Entwurfsprozess für perfekte Produkte Im Bereich der Konsumgüter wie Haushaltsgeräte, Consumer Electronics oder Pkws, aber auch bei Serienprodukten der Investitionsgüterindustrie wie Gabelstapler, Baumaschinen, Geräte der Medizintechnik, spielt die konzeptionelle Gestaltung im Vorfeld der Konstruktion eine bedeutende Rolle. Die professionelle Gestaltung eines Produktes wird immer wichtiger: Ziel ist, alle funktionellen, ästhetischen und wirtschaftlichen Anforderungen des Zielmarktes zusammenzuführen. Oft geht es auch darum, bestehende Produktfamilien zu überarbeiten, um sie geänderten Marktanforderungen anzupassen. Altbackene technische Investitionsgüter sollen mit durchdachten und gefälligen Formen und Farben, neuen ergonomischen und ökologischen Argumenten den Wettbewerber ausstechen. Diese Aufgaben übernehmen Industriedesigner, häufig externe Dienstleister, in enger Zusammenarbeit mit Marktforschern, Entwicklern und Fertigungsplanern. Was in der Automobil- und Konsumgüterindustrie gang und gäbe ist, wird auch im mittelständischen Maschinenbau zunehmend als strategische Aufgabe gesehen, um im Wettbewerb zu bestehen. In den Ateliers der Produktgestalter gilt der Name der Produktfamilie Autodesk AliasStudio als Syno nym für die Top-Anwendung an den Arbeitsplätzen der Industriedesigner. Sie unterstützt Skizzen, Illustrationen, Animationen von Designkonzepten und detaillierten Modellen, ihre Übergabe an Motorrad-Design (Bild: Wildwest AliasStudio – Automobil-Design Motorco) (Stile Bertone) (Bild: Fischer) CAD-Systeme und anspruchsvollste Flächengestaltung, wie sie im Automobildesign gefordert ist. Die visuelle Qualität der AliasStudio-Produktdarstellungen übertrifft nahezu die Realität. Sie bietet durch die Art der Umsetzung Kostenvorteile und mehr Freiräume in der Gesamtgestaltung. Deshalb werden diese Bilder häufig für Marketing- und Werbezwecke bevorzugt.
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Die enge Zusammenarbeit der Experten aus den unterschiedlichsten Unternehmensabteilungen und Standorten erfordert von Anfang an die digitale Kommunikation von Informationen und Entwürfen und die Integration in den Prozess der digitalen Produktentwicklung. Gerade wenn Produkte für die globalen Märkte entwickelt werden, müssen die Verantwortlichen in den wichtigen lokalen Märkten Europas, Amerikas oder Asiens eine Möglichkeit haben, bei der Produktgestaltung mitzureden. Funktionale, ergonomische und ästhetische Anforderungen können in unterschiedlichen Ländern und Kulturen stark differieren. Dann gilt es, einen gemeinsamen Nenner zu finden, der alle Zielgruppen gleichermaßen zufrieden stellt. AliasStudio – Design Siemens Gigaset Telefon (Bild: novakonzept GbR)
Motorrad-Design (Bild: Daniel Simon, Concept Design)
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PDM – Rückgrat der digitalen Entwicklung Geordneter Informationsfluss, Entlastung von Routineaufgaben und mehr Sicherheit Konstruktion und Entwicklung brauchen eine spezifische Datenverwaltung: Alle Daten sind im Fluss und erst stabil, wenn sie die Konstruktion verlassen. Bis dahin arbeiten viele Mitarbeiter und Abteilungen simultan an der Optimierung des digitalen Prototyps. Die Kommunikation und die Daten, die dabei entstehen, verwaltet und steuert ein PDM (Produktdatenmanagement)-System. Von der ersten Idee bis zur Fertigungsfreigabe ist der digitale Prototyp vielen Änderungen unterworfen: Produktdesigner und Konstrukteure suchen nach Lösungen, Kunden ändern ihre Anforderungen, Lieferanten modifizieren ihre Produkte und Spezifikationen – die Fertigung verlangt Vereinfachungen. Dabei greifen viele Gruppen von Anwendern auf dieselben Daten zu – oft gleichzeitig – während die Konstrukteure ihre Entwürfe häufig ändern. Abteilungen wie Einkauf, Marketing und Vertrieb sind an der Diskussion des digitalen Prototyps beteiligt. Sie brauchen Klarheit darüber, welche Informationen vorläufig sind, welche endgültig. Die Menge an Daten in vielen unterschiedlichen Dateiformaten, die verknüpft werden sollen, damit der Zusammenhang mit dem virtuellen Modell immer gewahrt bleibt, ist ohne eine systematische Ordnung nicht überschaubar. Die digitale Entwicklung verlangt Werkzeuge und Regeln, die analog zur früheren geordneten Arbeitsweise mit Papierdokumenten sichere Abläufe bei der Arbeit mit digitalen Produktdaten gewährleisten. Genau diese Aufgaben PDM-Systemarchitektur (Bild: Autodesk)
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übernimmt ein PDM-System wie Autodesk Productstream Professional als Rückgrat der digitalen Prozesse. Fragen wie: „Welche Version ist aktuell? Welche Bauteile und Baugruppen gehören zu dieser Konstruktion?“ beantwortet das PDM-System. Es zeigt eindeutig und klar den Werdegang der Konstruktion mit allen Schritten. So ist ausgeschlossen, dass versehentlich an einer alten Version weitergearbeitet wird. Vorgängerversionen bleiben zusätzlich erhalten und ein Rückgriff auf diese ist möglich. Das ist notwendig, wenn sich eine Konstruktionsidee als Sackgasse erwiesen hat und der Konstrukteur zu einer früheren Version zurückkehren muss. Die eingangs erwähnte Autodesk-Studie „Wirtschaftsfaktor Konstruktion“ belegt: PDM ist im Aufwind. Knapp ein Drittel der befragten Unternehmen setzt PDM bereits ein, viele beschäftigen sich mit dem Thema. Knapp die Hälfte der Firmen, die mit einem 3D-CAD-System arbeiten, haben bereits ein PDM-System im Einsatz. Änderungen dokumentieren Baugruppen bestehen in der Regel aus vielen Unterbaugruppen und Einzelteilen. Der Windows Explorer ist keine gute Hilfe, wenn man in diesen komplexen Strukturen den Überblick behalten will. Insbesondere, wenn Änderungen erforderlich sind oder Baugruppen in unterschiedlichen Versionsständen vorliegen. Dann kann nur das PDM-System die notwendige Übersicht herstellen. Es kennt alle relevanten Baugruppen und Bauteile und führt sozusagen Buch darüber, welche Versionen der Einzelteile zu welcher Version einer Baugruppe gehören – ganz automatisch. In einer Baugruppe soll ein Teil geändert werden. Welche Konsequenzen hat das? Wurde das Teil auch in anderen Baugruppen oder Produkten verbaut? Das PDM-System klärt diese Frage schnell. Es stellt in einem Verwendungsnachweis die Beziehungen der Bauteile und Baugruppen transparent dar und liefert die Grundlage für die Entscheidung, ob die Änderung sinnvoll ist oder möglicherweise Probleme an anderen Stellen verursacht.
PDM – Kommunikationszentrale der digitalen Produktentwicklung (Bild: Autodesk)
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Concurrent Engineering Meist arbeiten mehrere Kollegen gemeinsam an einem Projekt, oft über größere Distanzen, an unterschiedlichen Standorten oder über Ländergrenzen hinweg, vielleicht sogar in mehreren Schichten. Das PDM-System steuert die Replikation der Daten, so dass die Zusammenarbeit und simultane Arbeit am Projekt ortsunabhängig möglich ist. Durch eine Check-in/Check-out-Funktion stellt das PDM-System sicher, dass eine gleichzeitige Bearbeitung von Dateien oder unbeabsichtigtes Überschreiben von Daten selbst durch Teammitglieder ausgeschlossen ist. Das PDM-System legt alle Konstruktionsdaten zentral ab. Zugriff erhalten nur Personen, die sich im System identifizieren und die autorisiert sind, auf bestimmte Bereiche zuzugreifen. Auf diese Weise hält das System fest, wer welche Daten modifiziert hat. Standardisierung und beschleunigte Suche Das PDM-System vereinfacht die Suche und kennt alle Dateien, die zu einer Konstruktion gehören. Das erleichtert die Wiederverwendung vorhandener Bauteile und spart im günstigsten Fall den gesamten Aufwand für die Neukonstruktion und einen großen Teil der Fertigungskosten obendrein. Auf diese Weise hilft PDM bei der Standardisierung und Reduzierung der Teilevielfalt. Auch in kleinen Betrieben hat die Datenverwaltung einen hohen Stellenwert. Die systematische Ablage und das schnelle Wiederfinden machen PDM zum unverzichtbaren Instrument, vor allem, wenn die Daten projekt-orientiert organisiert sind. Modelle, Zeichnungen, Spezifikationen, Berechnungen, aber auch Kontakte, E-Mails, Angebote usw. können nach Projekten geordnet abgelegt und leicht gefunden werden – und das ohne Datenredundanz. Elektronische Freigabe Alle Daten müssen weiter unter Kontrolle bleiben, wenn sie an die Fertigung gehen, damit die Fertigung nur mit freigegebenen Zeichnungen arbeitet und immer Zugriff auf die aktuellsten Daten hat. PDM automatisiert den Freigabeprozess und die Verwaltung der Konstruktionsänderungen und Stücklisten. So behält die Konstruktionsabteilung die Kontrolle über alle Informationen. Mitarbeiter aus der Fertigung oder dem Einkauf können die Daten überprüfen und ergänzen, ohne dabei Konstruktionsdaten zu überschreiben. Eine Statusanzeige für jede Komponente gibt den Stand des Projekts genau wieder, beispielsweise „in Arbeit“ oder „freigegeben“. ERP-Integration unverzichtbar Ein 3D-CAD-System erstellt Stücklisten automatisch. Es spart damit viel Zeit und hilft, Fehler zu vermeiden. Die PDM-Software hilft nun, den digitalen Prototyp zu vervollständigen: beispielsweise durch die Ergänzung der Stückliste um Zukaufteile wie Dichtungen und Schmiermittel, die nicht explizit in der CAD-Konstruktion modelliert wurden, oder um Teile, die während der Montage benötigt werden.
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In der Regel ist das ERP-System das übergeordnete System für die Verwaltung der betrieblichen Prozesse. Deshalb ist der Abgleich freigegebener Artikeldaten und der Stücklisteninformationen über eine Schnittstelle unverzichtbar. Er ist die Voraussetzung dafür, dass Konstrukteure mit freigegebenen Artikeln arbeiten, aber auch die Produkte und alle Anlagenteile vollständig beim Kunden oder am Montageort ankommen. Dokumentationspflichten erfüllen Viele Unternehmen müssen ihre Prozesse dokumentieren, um den Erfordernissen einer ISO-Zertifizierung Genüge zu leisten oder um gesetzliche Dokumentationspflichten aus Gründen der Produkthaftung zu erfüllen. Dazu gehört, dass Freigaben und Änderungen von Konstruktionen festgehalten werden. Damit soll jederzeit nachvollzogen werden können, welche Revision eines Kaufteils bei einem Lieferanten bestellt wurde, welche Version an welchen Kunden ausgeliefert wurde, welche Änderungen ab welchem Zeitpunkt in die Produktion eingeflossen sind. Die Verantwortung für die Entscheidungen ist klar dokumentiert – eine Notwendigkeit für eine Zertifizierung. Diese wird in mehr und mehr Branchen gefordert. Gestraffte Prozesse Das PDM-System hilft nicht nur, schneller eine alte Konstruktion wieder zu finden, es unterstützt auch die automatisierte Überwachung der Abläufe, Durchführung von Routineaufgaben und der Änderungen. Fertigung und Einkauf erhalten verlässlichere Daten, Fehlerquellen werden eliminiert. Damit hat man eine genauere Kalkulationsbasis für Angebote. Der Durchlauf durch die Prozesse der Entwicklung wird gestrafft und beschleunigt. Die Studie „Wirtschaftsfaktor Konstruktion“ vergleicht Erwartungen und Erfahrungen bezüglich PDM. Sie zeigt: Die PDM-Anwender beurteilen PDM positiver als die Befragten, die den PDM-Einsatz planen. Das bedeutet, die hohen Erwartungen der künftigen Anwender werden voraussichtlich übertroffen.
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PDM – Workflow-Funktionen für die Verwaltung von Freigaben und Änderungen (Bild: Autodesk)
*ECO: Engineering Change Order (Änderungsauftrag)
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Grenzenlos digital Offene Standards erleichtern die Zusammenarbeit über Systemgrenzen hinweg Da in der Praxis die Applikationen und Systeme für die Entwicklung nicht alle von einem Hersteller geliefert werden und Ingenieure, externe Partner und Lieferanten mit unterschiedlichen Systemen arbeiten, müssen alle Beteiligten mit heterogenen Datenformaten bei der Beschreibung des digitalen Prototyps zurecht kommen. Aus historischen und technischen Gründen haben sich viele branchen- und anwendungsspezifische Schnittstellen-Definitionen entwickelt. Das Autodesk-Format DWG ist durch die starke globale Verbreitung von AutoCAD zum Industriestandard für den Austausch von 2D-Daten geworden und wird von vielen Fremdsystemen unterstützt. Autodesk Inventor unterstützt dieses Format zu 100 Prozent, ebenso das offene und kompakte 3DFormat DWF (Design Web Format), das sich vor allem für Viewing- und Freigabezwecke bewährt. Das weit verbreitete Autodesk-Format DXF gilt bei der Übergabe von 2D-Daten aus Fertigungszeichnungen an CAM-Systeme als bevorzugter Standard. Das DWF-Format spielt eine wichtige Rolle für die Anwender in den Abteilungen außerhalb der Konstruktion und gewährleistet die Zusammenarbeit mit externen Partnern. Es erlaubt die Visualisierung der Produkte, Baugruppen und Komponenten, gestattet aber auch die Ermittlung von Maßen sowie den Eintrag von Kommentaren und Korrekturhinweisen, um beispielsweise Änderungsbedarf aus der Fertigung schnell an die Urheber in der Konstruktion zu melden. Die perfekte Visualisierung des digitalen Prototyps ist eine
Überprüfung von Konstruktionen, Eintrag von Korrekturen mit Autodesk Design Review (Bild: Autodesk)
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Importoptionen für das Einlesen von Schnittstellendaten bei Autodesk Inventor (Bild: Autodesk)
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Voraussetzung für die fehlerfreie und schnelle Kommunikation aller Beteiligten im Entwicklungsprozess. Die zugehörige Design Review Software ist von Autodesk kostenfrei (auch für Nicht-Kunden) erhältlich. Einen besonderen Stellenwert, vor allem in vielen Bereichen der Fertigungsindustrie, haben sich die Formate STEP und IGES erworben. Zulieferer und Dienstleister in der Fahrzeugindustrie sind auf diese Schnittstellen angewiesen. In vielen Branchen sind diese Schnittstellenformate Pflicht, wenn der Zulieferer nicht die diversen Systeme der Kunden erwerben und betreiben will. In Autodesk Inventor sind diese Schnittstellen ohne Aufpreis enthalten. Der Import-Bericht erleichtert die manuelle Korrektur Die reibungslose Datenkonvertierung ist für von Schnittstellendaten bei Autodesk Inventor. Der viele Unternehmen ein zentraler Bestandteil Anwender erfährt, bei welchen Elementen welche Art des Engineering-Prozesses. Der Aufwand der von Problem aufgetreten ist (Bild: Autodesk) manuellen Konvertierung kann ein beträchtlicher Kostenfaktor sein. Deshalb ist eine Automatisierung innerhalb eines PDM-Systems anzustreben. Die Einsparungen können in einem mittleren Betrieb mehrere zehntausend Euro pro Jahr ausmachen, wie die Autodesk-Studie erläutert.
Die Qualitätsprüfung von Schnittstellendaten bei Autodesk Inventor identifiziert Problemstellen (Bild: Autodesk)
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Digital zahlt sich aus Schneller, besser und profitabler durch digitale Produktentwicklung Analysten und Experten sehen im Digital Prototyping klare Vorteile beim Zeitaufwand, bei den Kosten und der Qualität Warum steht der Geschäftsführer wöchentlich auf der Matte und fragt nach dem Stand der Entwicklung? Klar, das hat mit den Kosten der Entwicklung zu tun, die mit jedem Tag des Projektes wachsen. Optimistische Lieferzusagen vom Vertrieb und Konventionalstrafen bei Lieferverzug sind häufige Gründe für den hohen Zeitdruck. Bei Konsumgütern spielt eine schnelle Markteinführung eine große Rolle. Sie macht häufig den entscheidenden Unterschied aus, ob eine Innovation erfolgreich ist oder wegen mangelnder Profitabilität floppt. Denn der Hersteller, der mit einer Neuheit als erster auf den Markt kommt, braucht bei seiner Preisfindung keine Rücksicht auf Wettbewerber zu nehmen. Der Platzhirsch räumt ohne direkten Wettbewerb nicht nur einen höheren Profit ab. Er ist auch noch in der Lage, nachdem das Produkt eingeführt ist, die hohen Anlaufkosten verdaut und die Prozesse optimiert sind, seine Kosten zu senken. Ob Investitionsgüter oder Verbraucherprodukte: Zeit ist Geld und jedes Mittel ist willkommen, den Zeitaufwand in der Entwicklung zu reduzieren. Verantwortung für die Kosten Eine bekannte Lehrweisheit sagt, dass rund 70 Prozent der Kosten eines Produktes in der Konstruktion festgelegt werden. Nachgelagerte Prozesse beeinflussen die Kosten nur noch relativ gering. Und selbst innerhalb der Konstruktion macht es einen großen Unterschied, wann die konstruktiven Festlegungen getroffen werden: am Anfang
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Erfassung von Wissen in frühen Phasen schützt vor hohen Änderungskosten (Bild: Autodesk)
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oder kurz vor Torschluss. Um eine Änderung, die zu Beginn der Konstruktion vorgenommen wird, macht niemand viel Aufhebens. Dagegen hat eine Modifikation, die sehr spät in der Entwicklung erfolgt, sehr große Auswirkungen auf andere Komponenten oder Baugruppen und verursacht großen Aufwand. Das heißt also, die Aufgabe der Verantwortlichen in der Konstruktion ist es, die Untersuchung von Varianten, Kostenanalysen, notwendigen Anpassungen usw. zeitlich nach vorne zu ziehen, damit später im Prozess keine gravierenden Änderungen mehr notwendig sind. Späte Ideen kommen oft nur deshalb nicht mehr zum Zug, weil die Änderung zu kostspielig wäre. Der optimale Ablauf in der Konstruktion kann nur erreicht werden, wenn rechtzeitig zu Beginn der Konstruktion alle, oder zumindest möglichst viele, Informationen und Anforderungen bekannt sind. Durch eine schnelle und gute Kommunikation in der digitalen Produktentwicklung haben alle, die in irgendeiner Form Informationen beisteuern können, einen optimalen Zugang zum aktuellen Stand der Entwicklung und können korrigierend oder ergänzend eingreifen. Problem: Langläufer Immer wieder kämpfen die Konstrukteure mit dem Problem der so genannten „Langläufer“, das sind Bauteile, die sehr früh im Prozess bestellt werden müssen, weil sie eine lange Lieferzeit haben. Erfolgt die Bestellung zu spät, gerät das ganze Projekt in Verzug. Das ist ein weiterer Grund, den Informationsaustausch zu verbessern und zu beschleunigen. Die Entscheidungen bezüglich solcher Langläufer müssen frühzeitig fallen. Ein kommerzieller Nebeneffekt: Bei Bestellungen ohne Zeitnot lassen sich meist bessere Preise erzielen.
Kostenanstieg durch mangelnde Integration der digitalen Produktentwicklung bzw. unzureichende Schnittstellen (Bild: Autodesk)
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Ideale Integration der digitalen Produktentwicklung (Bild: Autodesk)
Informationsverluste vermeiden Wenn die Integration zwischen den Systemen unzureichend ausgebildet und die Kompatibilität der Daten nicht gewährleistet ist, kommt es zu Informationsverlusten an den Übergabestellen und zu vermeidbaren Kosten. Informationen und Daten müssen an jeder ungenügenden Übergabestelle neu erfasst oder bearbeitet werden. Das treibt die Kosten bei jeder Übergabe nach oben. Bis zur Auslieferung summieren sich diese Kosten und schmälern den Profit oder machen das Produkt gar unverkäuflich teuer. Ein Beispiel für solche Verluste: Der Auftraggeber konstruiert in 3D, übergibt dem Lieferanten aber 2D-Zeichnungen seiner Bauteile. Der geht nun seinerseits her und definiert auf Basis der Zeichnungen ein 3D-Modell für seine NC-Maschine. Der gesamte 3D-Modellierungsaufwand wird doppelt erbracht – eine kostspielige Angelegenheit. Erfolge mit virtueller Entwicklung Die digitale Produktentwicklung ist kein Neuland. Die Automobil- und die Luftfahrt industrie betreiben sie seit langem. Neu entwickelte Flugzeuge müssen von der ersten gebauten Maschine an fliegen. Fehlversuche oder Prototypen, die eine Bruchlandung machen, darf es nicht geben. Auch viele innovative Fertigungsunternehmen des
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Maschinenbaus haben bereits ein hohes Niveau erreicht. Das ergab eine Studie der Aberdeen Group3 über erfolgreiche Unternehmen. Die Analysten stuften die Hersteller als erfolgreich ein, die ihre Ziele hinsichtlich Umsatz, Kosten, Zeitpunkt der Markteinführung und Qualität für 84 Prozent oder mehr ihrer Produkte erreichten, während durchschnittliche oder weniger erfolgreiche Hersteller an diese Ziele nur für zwei Drittel oder weniger als die Hälfte der Produkte herankamen. Aberdeen fand heraus: Im Schnitt bauten die erfolgreichen nur halb so viele Prototypen wie durchschnittliche Firmen, kamen häufiger als andere in jeder Phase der Entwicklung mit einem virtuellen Prototyp aus und wiesen nur halb so viele Modifikationen nach, die vor der Markteinführung das Änderungswesen durchliefen. Entsprechend konnten sie fast 100 Tage früher auf den Markt gehen und benötigten rund 50.000 US $ weniger an Entwicklungskosten als der Durchschnitt. Planungsaufwand um 40 Prozent reduziert Prof. Dr. Hans-Jörg Bullinger, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft München, nannte in einem Vortrag Ergebnisse aus einer Studie4. Danach zeigen die ersten Erfahrungen aus der digitalen Produktion, dass durch den Einsatz digitaler Werkzeuge im Produktentstehungsprozess aufgrund ihrer integrativen und unterstützenden Funktion messbare Verbesserungen erzielt werden. Die Produktionsplanung wird um 20 bis 30 Prozent beschleunigt, der Planungsaufwand um 40 Prozent reduziert, die Investitionskosten sinken um 20 bis 30 Prozent. Außerdem verkürzen sich die Anlaufzeiten um bis zu 30 Prozent. Bullinger beziffert die Qualitätssteigerung mit 10 Prozent und die Verbesserung der Produktionsergebnisse auf 5 Prozent. Neben den hier nachgewiesenen Ergebnissen, vor allem der Beschleunigung in der Produktentwicklung, der verkürzten Time-to-Market und der verbesserten Qualität durch eine reduzierte Fehlerquote, gibt es noch eine Reihe weiterer Vorteile, die mit der digitalen Produktentwicklung einhergehen. Dazu gehört beispielsweise die einfachere Standardisierung, der geringe Aufwand für die Definition von Produktfamilien oder Varianten und die große Menge verfügbarer Kaufteilebibliotheken. Innovative Prozesse wie Concurrent Engineering sind ohne digitale Entwicklung nicht denkbar, ebenso wenig moderne, auf engsten Bauraum komprimierte Mechatronik-Produkte. Nicht hoch genug zu bewerten ist die Zufriedenheit der Anwender, die mehr Freude an der Arbeit haben und unter keinen Umständen zu früheren Arbeitsmethoden zurückkehren wollen. Die digitale Entwicklung befreit sie von lästigen Routinetätigkeiten.
3
„The Digital Product Development Benchmark Report“, Aberdeen Group, März 2007
4
P rof. Dr. Hans-Jörg Bullinger: „Zukunft der Arbeit - Leben in einer vernetzten Welt“, Vortrag anläßlich der Autodesk Datenmanagement Konferenz vom 26. bis 27. Juni 2007, Bad Kissingen
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Erfolgreiche Anwender berichten Digital Prototyping in der Praxis Digitale Produktentwicklung ist bei vielen innovativen Maschinenbau-Unternehmen kein Fremdwort mehr. Sie haben längst die traditionellen Papierarchive digitalisiert und in den wichtigsten Prozessabschnitten moderne Softwarelösungen implementiert: 3D-CAD, PDM, CAM und ERP-Integration stehen dabei im Vordergrund. Die neuen Systeme sind praktikabel und erschwinglich, die Einstiegshürden sind niedrig und sie machen sich schnell bezahlt. Mittlerweile liegen viele positive Erfahrungen vor. Projektlaufzeiten halbiert Die Andritz AG mit Hauptsitz in Graz ist einer der größten Hersteller von Anlagen und Systemen für die Zellstoff- und Papierindustrie und andere Branchen. Das Unternehmen setzt in der Konstruktion seit 2004 überwiegend auf Autodesk Inventor und hat das 3D-System auf über 130 Arbeitsplätzen im Einsatz. Claudius Stieber, Senior Manager ITProjects & Controlling, sieht die digitale Produktentwicklung sehr positiv: „Es gibt wesentlich weniger Nacharbeiten oder Modifikationen, beispielsweise bei der Montage. Bauraum-Untersuchungen, Kollisionsprüfungen oder die Simulation bewegter Teile finden heute bereits am Bildschirm statt. Fehler werden so vermieden.“ Weiter berichtet er: „In den letzten Jahren haben wir die Projektlaufzeiten auf Druck unserer Kunden im Schnitt halbieren müssen. Das haben wir geschafft.“ Die Autodesk-Lösungen halfen kräftig mit: „Ein großer Teil der Verkürzung der Laufzeiten ist den neuen Systemen zuzuschreiben.“
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Tissue-Maschine (Bild: Andritz AG)
Tissue-Maschine (Bild: Andritz AG)
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Digitaler Prototyp hilft Fehler vermeiden Der mittelständische Hersteller von Bauaufzügen und Fassadenliften GEDA in Asbach-Bäumenheim erreichte mit den Autodesk-Systemen für die digitale Produktentwicklung, Inventor und Productstream Professional, nicht nur eine bessere Zusammenarbeit in der Konstruktion über die Standorte der Firma hinweg, sondern auch eine flexiblere Nutzung der Fertigungseinrichtungen. Thomas Morgenbrodt, Gruppenleiter Konstruktion bei GEDA, will die 3D-Modellierung nicht mehr missen: „Bei kompletten Projekten ist eine perfekte Visualisierung inzwischen üblich. Wer dazu nicht in der Lage ist, sieht sich im Hintertreffen. Man spricht mit Seilstop einer Durchlaufwinde (Bild: GEDA) den Lieferanten und Kunden auf einer ganz anderen Ebene, wenn man eine 3D-Darstellung vor sich hat.“ Der virtuelle Prototyp bietet auch dem Mittelständler viele Vorteile. „Die Teamarbeit ist mit einem 3D-Konstruktionssystem leichter zu machen, auch die weitere Bearbeitung in der Arbeitsvorbereitung und später in der Produktion ist einfacher als früher. Wir haben mehr Möglichkeiten im Vorstadium, können besser optimieren. Im Aufzugbau spielt die Gewichtsoptimierung eine große Rolle. Die ist natürlich im 3D-System einfach. Wir können mehr simulieren und testen, bevor wir an den Musterbau gehen und vermeiden Fehler. Eine abgeschlossene 3D-Konstruktion ist durchdacht und die Detailausarbeitung und Übergabe an die Arbeitsvorbereitung und Fertigung kann dann sehr schnell erfolgen.“ 45 Prozent Zeit gespart Waagen für unterschiedlichste Industrieanwendungen sind das Geschäftsfeld der Oschatzer Waagen GmbH. Seit fünf Jahren vertraut das sächsische Unternehmen auf Autodesk Inventor und seit zwei Jahren auf das PDM-System Autodesk Productstream Professional. „Der 3D-Ansatz und die Möglichkeiten der baugruppenorientierten Konstruktion mit Inventor haben uns Wege eröffnet, wesentlich effizienter zu arbeiten. Nicht die Zeichnung, sondern das komplette Produktmodell steht heute bei uns im Mittelpunkt“, meint der Geschäftsführer des Waagenherstellers, Heiko Börner. „Unser Entwicklungsprozess ist schneller und damit kostengünstiger geworden, und das bei einer deutlich gesteigerten Produktqualität. Uns ist es gelungen, mit Inventor 25 Prozent, und durch die Einführung von Productstream Professional zusätzliche 20 Prozent an Entwicklungszeit einzusparen.“
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Drei bis viermal mehr Anlagen als früher Die internationale Ammann-Gruppe mit Hauptsitz in Langenthal/Schweiz baut u.a. Anlagen für die Asphaltsaufbereitung und Verdichtungsmaschinen für den Straßen- und Landschaftsbau. Insgesamt sind heute in der Ammann-Gruppe mehr als 120 InventorArbeitsplätze installiert. Die digitale Produktentwicklung auf der Basis des 3D-Systems wird bei allen neuen Projekten angewendet. „Die Qualität unserer Entwicklungen ist von Anfang an hochwertiger und mit weniger Fehlern behaftet. Früher waren oft Nachbesserungen erforderlich. Das ist heute nicht mehr der Fall. Deshalb ist der gesamte Prozess – einschließlich der Fertigung – deutlich besser und schneller geworden“, stellt Bruno Meier, Verantwortlicher für die CAD- und PDM-Systeme, fest. Und Frank Otto, Leiter des Technischen Büros, bestätigt: „Wir liefern heute drei- bis viermal mehr Anlagen aus als früher. Das hat viel mit Standardisierung und anderen Maßnahmen zu tun. An den kürzeren Durchlaufzeiten hat – bei gleichem Personalstand – aber auch die 3D-Konstruktion ihren Anteil. Sie ist unverzichtbar geworden. Wir bauen inzwischen manche Lösung, an die wir in 2D noch gar nicht denken konnten.“
Trailer (Bild: Ammann)
50 Prozent schneller Erfahrung, Innovationskraft und Kompetenz auf den Arbeitsgebieten Aufbereitungstechnik, Mischtechnik und Filtrationstechnik sind die Stärken der BHS-Sonthofen GmbH. Erklärtes Firmenziel sind technisch führende Produkte. Als eine Voraussetzung dafür sehen die Sonthofener die Arbeit mit modernen Systemen für die digitale Produktentwicklung an. Seit mehr als fünf Jahren arbeitet die Firma mit Autodesk Inventor und Autodesk Productstream Professional.
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Dr. Angelo Schmandra, Technischer Leiter BHS-Sonthofen, erklärt: „Durch das Zusammenspiel der einzelnen Softwarekomponenten verbesserte sich die Entwicklung und Lieferung kundenspezifischer Lösungsvarianten. Da das EDM/PDM-System Wiederholteile berücksichtigt sowie Baukastenstrukturen und das Typenprogramm strafft, lassen sich Maschinen zu marktgerechten Preisen entwickeln und fertigen sowie bei Neuentwicklungen Zeitersparnisse von über 50 Prozent realisieren. So haben alle an der Wertschöpfungskette Beteiligten eine einheitliche Basis, um unternehmensinternes Wissen abzurufen. Nur so ist heute Innovation zu vernünftigen, marktrelevanten Preisen möglich.“
Doppelwellen-Chargenmischer (Bild: BHS Sonthofen)
Prototyp ganz eingespart Digitale Produktentwicklung ist keine Utopie, wie die selFrag AG, ein Unternehmen der AMMANN-Gruppe, bewies. Sie hat ein neues physikalisches Verfahren, das Hochspannungsimpuls-Verfahren für die selektive Fragmentierung erstmals in funktionierenden kommerziellen Maschinen umgesetzt. Diese Technologie ist in vielen Industriezweigen einsetzbar, wie in der Gewinnung von hochreinem Quarz aus gemischten Minerallagern, im Recycling von Elektroschrott und Automobilteilen oder in der Metallrückgewinnung aus Schlacken. Nach zwei Jahren Entwicklungszeit hat selFrag die ersten beiden Maschinen gebaut. Physische Prototypen, die in der Vergangenheit für solche Neuentwicklungen üblich waren, konnten komplett eingespart werden. Bereits die erste Maschine funktionierte und brachte die erwarteten Ergebnisse. Unternehmen, die sich einmal der digitalen Produktentwicklung verschrieben haben, wollen sie nicht mehr missen. Die Vorteile der verbesserten Zusammenarbeit über mehrere Standorte und Firmengrenzen hinweg, der beschleunigten Entwicklungsprozesse, der Vermeidung von Fehlern, der perfekten Visualisierung in der Diskussion mit Kunden und Partnern zahlen sich schnell in Form von weniger Zeitaufwand und Kosten aus. Autodesk Kompendium I 35
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Erschwingliche Werkzeuge Günstiger Einstieg, ausbaufähig für höchste Anforderungen Das Thema digitale Produktentwicklung ist nicht wirklich neu. In der Vergangenheit lagen aber die Investitionen für die notwendigen Werkzeuge jenseits der finanziellen Möglichkeiten der meisten mittelständischen Maschinenbauer. Das hat Autodesk in den letzten Jahren geändert. Die Autodesk-Systeme für die digitale Produktentwicklung eröffnen selbst kleinen Firmen realistische Wege zur Erstellung und simultanen Bearbeitung digitaler Prototypen über alle Prozessabschnitte und Standorte hinweg. Autodesk wird auch hier seinem Ruf gerecht, leistungsfähige Systeme für alle Entwickler, vom Freiberufler bis zum Großunternehmen, zu erschwinglichen Preisen verfügbar zu machen. Die Autodesk-Lösungen für die digitale Produktentwicklung sind flexibel integrierbar. Vorhandene Prozesse müssen nicht völlig umgekrempelt werden. Der Aufwand für ihre Implementierung bleibt gering. Bei Bedarf sind sie jedoch beliebig ausbaufähig. Ihre weltweite Verbreitung stellt sicher, dass Unternehmen, die global expandieren, überall Mitarbeiter und Partner finden, die diese Systeme beherrschen. Die Autodesk-Tools begleiten den digitalen Prototyp in allen Phasen der Entwicklung, von der ersten Design-Idee bis zur Fertigung. Autodesk AliasStudio gilt als die beste Industriedesign-Software auf dem Markt. Es fährt kaum ein Pkw auf unseren Straßen, der nicht ganz oder teilweise mit AliasStudio gestaltet wurde. Mit dieser Software erfassen die Designer ihre Ideen von den ersten Skizzen bis zur ausgearbeiteten Form und tauschen ihren Entwurf mit der Entwicklung aus. Sie nutzen dafür ein gemeinsames Datenformat. So ist die Form von Beginn an Teil des digitalen Prototyps. Autodesk Showcase unterstützt die Visualisierung der Form bei Design-Abstimmungen über globale Netze.
Ein wichtiger Moment im Entwurfsprozess: Design trifft Realität. Dank der Möglichkeit, direkt auf CAD-Daten gestalten zu können, wird die Synthese von Entwurf und Wirklichkeit viel einfacher. Design: M. Jelinek
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Autodesk Inventor ist die Basis der digitalen Produktentwicklung. Das Inventor-Modell ist ein exakter digitaler Prototyp, der die Beurteilung des Entwurfs und die Analyse von Funktionen optimal unterstützt, bis hin zur dynamischen Simulation und FEM-Berechnung in der Professional-Version der Software. Auch für die Bereiche Elektrokonstruktion (Schaltpläne mit AutoCAD Electrical), Kabelbaum-Konstruktion und Rohrleitungskonstruktion bietet Autodesk ausgefeilte Werkzeuge an. AutoCAD Mechanical übernimmt die Aufgaben der 2D-Dokumentation, die für die Fertigung benötigt wird. Halb Skizze, halb 3D-Modell: Der Entwurf verbindet technische Präzision mit künstlerischer Ambition.
Design: M. Jelinek
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Bild: Kone
Die Autodesk Productstream Professional Produktfamilie bietet modulare und praktika ble Lösungen für das Datenmanagement in der Konstruktion und hilft, die Kontrolle über die Vielfalt der Dateien, Formate und Versionen zu behalten, die den digitalen Prototyp beschreiben. Sie schließen die Replikation der Daten über mehrere Standorte hinweg und die Automatisierung von Routineaufgaben ein. Dazu gehört auch die kostenfreie Viewing- und Markup-Software. Sie ermöglicht einen Lesezugriff auf den digitalen Prototyp und die Online-Überprüfung der Konstruktion, der Freigaben oder den Eintrag von Kommentaren und Korrekturen. Wer die Aufstellung von Maschinen, Aufzügen, Versorgungsleitungen oder die Entlüftung plant, profitiert davon, dass alle Gewerke vom Rohbau über die Heizung, Lüftung und sanitären Installationen bis hin zu den elektrischen Installationen mit kompatiblen Software-Produkten aus der Autodesk-Familie arbeiten können. Wettbewerbsfähig bleiben Im intensiven Wettbewerb ist die Optimierung der Entwicklungsprozesse und die rasche Markteinführung von Innovationen entscheidend für den Erfolg von Unternehmen. Das umfangreiche und kompatible Autodesk-Angebot an Systemkomponenten für die digitale Produktentwicklung erlaubt auch kleinen und mittelständischen Firmen die Nutzung der fortschrittlichsten Technologien, um im harten Wettbewerb bestehen zu können.
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Redaktionelle Leitung Burkhard Hörnig Autodesk, München Redaktion Fortis PR, München Text Dr. Philipp Grieb, München Grafik/Layout adwork GmbH, München
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Impressum Herausgeber: Autodesk Deutschland GmbH Aidenbachstr. 56 81379 München Tel. 0180-5225959* www.autodesk.de infoline.muc@autodesk.com *14 Cent pro Minute aus dem Netz der Deutschen Telekom. Abweichungen für Anrufe aus dem Mobilfunknetz möglich. Bei internationalen Gesprächen fallen die üblichen Auslandsgebühren an.
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