Interview zum Prototyping

Daniel Schilling,

Die Konstruktion der Zukunft

Karl Osti, Senior Industry Manager Manufacturing bei Autodesk, spricht im Interview über Prototypen, Simulationssoftware, die Rolle des Konstrukteurs und aktuelle Trends in der Fertigung.

Karl Osti sieht in richtig eingesetzter Simulation eine Chance, Ingenieuren mehr Zeit für die kreativen Teile ihrer Arbeit zu geben. © Autodesk

Im klassischen Konstruktionsprozess ist ein Prototyp die Probe, ob der Entwurf der Realität standhält. Lässt sich das durch Simulation ersetzen?
Prototypen werden auch noch auf lange Sicht eine Schlüsselrolle im Prozess der Serienproduktion spielen und nicht komplett durch den software-basierten Simulationsprozess ersetzt werden. Die Simulation ist allerdings ein Schlüsselelement zur Beschleunigung der Fertigung und leistet einen wichtigen Beitrag, um die Anzahl der Prototypen zu reduzieren, die für die Serienproduktion benötigt werden. Denn: Konstrukteure stehen bei den Fragen nach Materialverfügbarkeit, Qualität und Validierung sowie der Entwicklung von Prozessparametern für einen Entwurf vor neuen Herausforderungen und komplexen Workflows. Dazu zählen die Vorbereitung von 3D-Modellen und die nahtlose Orchestrierung von Arbeitsabläufen. Zentral hierbei ist die Einbindung fortschrittlicher additiver Funktionen wie Prozesssimulation direkt in die CAD-Umgebung. Umständliche Datenkonvertierungen gehören der Vergangenheit an. Darüber hinaus decken robuste Simulationswerkzeuge während der Simulation nicht nur mögliche Probleme auf, sondern schlagen auch entsprechende Lösungen vor. Ein Beispiel aus dem Software-Bereich: Fusion 360 erkennt beim 3D-Druck entstehende Verformungen und liefert zugleich Lösungsansätze. Dies erfolgt noch bevor das Produkt gedruckt ist, um fehlerhafte Drucke und damit Materialverlust zu vermeiden. Die Simulation spart also Zeit und Material – und damit am Ende auch Geld.

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Werden in der fertigenden Industrie physische Prototypen also eines Tages überflüssig werden – auch bei komplexeren Produkten?
Technologien wie generatives Design und additive Fertigung beziehungsweise 3D-Druck ermöglichen es, im Bereich der Fertigung die Konsolidierung von Teilen zu erhöhen. Weniger einzelne Kon- struktionsteile bedeuten eine leichtere, weniger komplexe und störanfällige sowie einfachere Konstruktion. Die Verringerung der Komplexität und der Anzahl der Teile in einer Einheit führt in der Regel zu einer Vereinfachung des Prototypings. Dies bedeutet jedoch nicht, dass dieses nicht mehr nötig ist. Wir sehen den Trend, dass die Simulation dazu beiträgt, Probleme zu identifizieren, bevor man zum Prototyping übergeht. So gibt es weniger Probleme bei der Erstellung des Prototyps und mit diesem selbst. Aber: Eine vollständige Abschaffung der Prototyping-Phase ist nicht wahrscheinlich. Denken Sie nur an die Komplexität des Produktionsablaufs oder an komplexe, interdisziplinäre Maschinen, welche auch entsprechend komplexe, vernetzte und sich gegenseitig beeinflussende Simulationsmodelle benötigen würden. Hier kommt auch ein Kompromiss aus kaufmännischer Sicht in Hinblick auf die time-to-market ins Spiel.

Inwiefern wird der Mensch überhaupt noch gebraucht, um die Qualität eines simulierten oder auch eines real gefertigten Prototypen zu beurteilen?
In der Konstruktion, der Fertigung, dem Prototyping bis hin zur Produktion ist der Computer ein Werkzeug, das den Menschen bei der Durchführung von Simulationen, beim generativen Design oder bei der Generierung von Konstruktionsszenarien unterstützt. Er ist nützlich, um Vorschläge zu machen, Trends zu erkennen und durch seine Messtechnik und Rechenleistung effizient die optimale Lösung zu entwickeln. Leistungsstarke und exakte Computermodelle, wie zum Beispiel Simulationen, befreien von der Last des Rechnens. Das Ergebnis: Der Konstrukteur hat mehr Zeit für die kreative und innovative Arbeit. Der Mensch wird dennoch benötigt – denken Sie an Haptik, ästhetische Beurteilungen oder auch nur an den Umgang mit Toleranzen jeglicher Art, die den markanten Unterschied zwischen der perfekten, virtuellen und der realen, wirklichen Welt darstellen.

Sind also Produktionsprozesse denkbar, bei denen der Endkunde ein Produkt bestellt und am Ende erhält, das im Rahmen gewisser Vorgaben automatisch konstruiert, getestet und produziert wurde?
Technologien künftiger Design- und Fertigungsprozesse wie Automatisierung, additive Fertigung, 3D-Druck, generatives Design und Simulation machen es bei einer hohen Innovationsgeschwindigkeit möglich, dass Kunden passgenaue Produkte bestellen können, die zudem jeweils aufgrund der individuellen Zusammenstellung der Parameter einzigartig sind. Nachhaltigere Materialien unterstützen diese Szenarien. Sie alle zahlen auf die intelligente Fertigung ein. Um die individuellen, gegebenenfalls variierenden Anforderungen des Kunden an das Produkt stets aktuell zu halten, laden Geräte und Maschinen mit intelligenten Sensoren die Produktdaten zur Analyse in die Cloud, sodass die Umsetzbarkeit und die Parameter laufend gecheckt sowie Fehlerquellen erkannt und ausgeschaltet werden.

Ein Beispiel: das Konzeptrad von Decathlon, das mit generativem Design in Autodesk Fusion 360 entwickelt wurde. Es hat das Potenzial, für jeden Kunden individuell aus Aluminium per 3D-Druck ressourcenschonend produziert zu werden. Das generative Design kann hier verschiedene äußerst komplexe Herausforderungen lösen, um die Qualität und Sicherheit des Rennrads zu gewährleisten.

Digitale Tools wie Autodesks Fusion 360 erkennen beim 3D-Druck entstehende Verformungen und liefern zugleich Lösungsansätze. © Autodesk

Sprechen wir vom Product Lifecycle Management. Wie lassen sich Erfahrungen mit einem fertigen Produkt automa-tisiert in den Konstruktionsprozess zurückspielen?
Product Lifecycle Management fördert die unternehmensweite Zusammenarbeit für alle am Produktlebenszyklus Beteiligten. Hierbei besonders wichtig, wenn es um die Weiterverwendung von bereits gesammelten Erfahrungen mit einem Produkt geht: der digitale Zwilling. Und seine DNA, das Product Line Engineering (PLE)-Framework.

Das Konzept des digitalen Zwillings in der Fertigung ermöglicht Herstellern, die Leistung eines Produkts in Echtzeit anhand eines digitalen Modells zu überwachen, das identisch mit dem realen Produkt reagiert. Beim PLE handelt es sich um einen Engineering-Prozess, der bestimmte Produkte einer Produktlinie umfasst und die Kommunikation zwischen diesen ermöglicht. Ein Beispiel aus der Automobilindustrie: Verschiedene Teams arbeiten an unterschiedlichen Fahrzeugmodellen. Die Kommunikation zwischen den Teams ist entscheidend für das Erreichen des Gesamtdesignziels. Mit PLE werden alle Komponenten einer Produktlinie in eine Management-Software eingespeist, die ein Portfolio für jedes Produkt erstellt. Dies hilft dabei, redundante Konstruktionsabläufe zu vermeiden.

Durch den übergreifenden Rahmen von PLE zeigt sich, dass ein digitaler Zwilling eines Produkts notwendig ist. Man stellt sich ein physisches Produkt vor, das IoT- und Cloud-Daten nutzt, um seinen digitalen Zwilling zu informieren. Dabei ist die PLE-Planung ein notwendiger Schritt im Erstellungsprozess: Sie sammelt die Konstruktionsdaten und erstellt ein Gerüst aus Konstruktionsmodellen, die deren Verbindungen zeigen. Anhand dieses Rahmens werden digitale Zwillinge bestimmter Produkte entwickelt, um ihre Funktion in der realen Welt besser zu verstehen.

PLE und digitale Zwillinge ermöglichen, Feedback aus der realen Welt zu erhalten, das sich in den Redesign- oder Verbesserungsprozess einbringen lässt. Das Resultat: Erfahrungen mit einem fertigen Produkt lassen sich automatisiert in den Konstruktionsprozess zurückspielen. Trotzdem wird es der Mensch sein, der dieses automatisierte Feedback in den richtigen Kontext setzt und entscheidet, wie man damit umgeht. Sprich: ob und welche Konstruktionsänderung realisiert wird.

Die Corona-Krise hat auch Lieferketten auf den Prüfstand gestellt. Ist es denkbar, in einem automatisierten Produktionsprozess den Ersatz einer Komponente mit Lieferschwierigkeiten durch eine Alternative zu simulieren?
Das Corona-Virus beschleunigte die Transformationsprozesse in der Lieferkette und in der Fertigung. Dazu zählen: rationalisierte Zusammenarbeit über Praktiken und Entfernungen hinweg, Remote Working, Substitution von Materialien, Mischformen aus lokalen und entfernten Zulieferern, Prototyping und Fertigung.

Simulation erlaubt Probleme rechtzeitig zu erkennen. © Autodesk

Mit Blick auf den Ersatz einer Komponente durch die Simulation einer Alternative zeigt sich: Mithilfe der additiven Fertigung ergeben sich schon heute Gestaltungsmöglichkeiten, die die Simulation einer Ersatz-Komponente möglich machen. Nicht verfügbare Teile in der Lieferkette könnten entkoppelt von der Lieferkette zum Beispiel über 3D-Druck selbst hergestellt werden. Oder: Mit Hilfe von Künstlicher Intelligenz können im PDM wie bei der „Dubletten Suche“ in Autodesk Vault Vergleichsteile gefunden werden, die von anderen Lieferanten angeboten werden. So kann der Stress aus der Lieferkette genommen werden. Just-in-Time-Lieferketten haben trotz ihres großen Vorteils der Kosteneffizienz den systemischen Nachteil, dass die Abhängigkeit erhöht wird. Da wir alle nicht mit einer Pandemie gerechnet haben, haben wir natürlich keine Puffer und Sicherheitsnetze eingebaut. Diesen Punkt wird man für die Zukunft bestimmt überdenken.

Wie lassen sich Systeme für die Konstruktion mit Lieferdatenbanken und Managementsystemen zusammenführen, um komplexe Entscheidungen treffen zu können – etwa wo und wie ein Produkt für einen bestimmten Kunden an einem bestimmten Standort am günstigsten und schnellsten produziert werden kann?
Computer berücksichtigen im Rahmen des konvergenten Arbeitens verschiedene Variablen und führen mehrere Datensätze zusammen. Durch den Einsatz digitaler Tools eröffnen sich neue Einblicke in die Daten. Nicht nur die Kosten werden reduziert (Design to Cost), auch Anforderungen werden umfassend erfüllt oder auch eigene Produktionsfähigkeiten priorisiert (Design to Capabilities), so dass Ingenieur- und Designteams nur noch die Feinabstimmung vornehmen müssen. Auch der Aspekt der Nachhaltigkeit ist relevant: Schon früh im Designprozess zeigt sich, welche Auswirkungen die Wahl eines Materials, eines Fertigungsprozesses oder eines Fertigungsstandorts auf die CO2-Bilanz des Produkts hat. Autodesk ist mit der Fusion-Plattform hier schon sehr weit vorangeschritten, wenn es darum geht, solche Möglichkeiten auch der breiten Masse zur Verfügung stellen zu können.

Wie hat die Coronakrise die Arbeit bei Autodesk verändert?
Wir sind noch digitaler in der Zusammenarbeit geworden – sind das aber eigentlich auch schon immer gewesen. Mit Blick auf die Arbeitsroutinen lässt sich die Zusammenarbeit mit den Kollegen innerhalb des Unternehmens und standortübergreifend nun noch einfacher gestalten.

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