Der Aufwand ist oft noch zu hoch

Die modernen Simulationstools an sich und auch ihre zunehmende Integration in den Entwicklungs- und Produktionsprozess lassen ein enormes Potenzial für Effizienzsteigerungen erkennen. Aber werden die technischen Möglichkeiten heute auch schon in der Praxis genutzt und erfüllen sie wirklich die konkreten Anforderungen der Anwender? Diese Frage beantworten im Rahmen des Trendteils „Integrated Manufacturing" die Experten von Daimler und Trumpf.

eA: Werden Simulation und modellbasierter Entwurf durch die sich vermehrt durchsetzenden mechatronischen Ansätze unterstützt oder erschwert?

Hirzle: Durch den mechatronischen Ansatz wird auf jeden Fall eine Verbesserung der Ergebnisse erzielt, da wirklich aussagekräftige Simulationen nur durch solche ganzheitlichen Ansätze möglich sind. Hierin liegt allerdings auch die Herausforderung: Es reicht nicht mehr aus, dass der Simulationsexperte lediglich eine der Ingenieursdisziplinen beherrscht. So muss sich beispielsweise der Elektroingenieur zusätzlich hinsichtlich der Mechanik qualifizieren, um effizient Simulationen vorbereiten und durchführen zu können. Der Ausweitung der Simulationsinhalte auf die Mechatronik führt zu Vorteilen in Themen wie der virtuellen Inbetriebnahme, bei der das Verhalten einer ganzen Produktionsanlage frühzeitig simuliert werden soll.

Renz: Durch den mechatronischen Ansatz werden die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen den Teilsystemen Steuerung, Antriebsregelung und Mechanik in die Modellbildung mit einbezogen. Nur auf diese Weise ist es möglich, das spätere Verhalten eines mechatronischen Systems mit ausreichender Genauigkeit anhand eines digitalen Simulationsmodells vorherzusagen. Andererseits führt dieses zu einem hohen Komplexitätsgrad der Simulation und bedingt ein interdisziplinäres Fachwissen derer, die solche Simulationen durchführen.

eA: Welche Simulationstools für welche Einsatzbereiche setzen Sie aktuell ein und was planen Sie hier mittelfristig?

Hirzle: Aktuell werden bei uns im Hause folgende Systeme verwendet: Robotersimulation (Delmia V5 Robotics, Robcad, Dürr 3DOnsite, ABB Robotstudio, Kuka Sim), Simulation mechatronischer Komponenten (Winmod, Delmia Automation), Simulation Oberflächenprozesse (Star, Marc), Umformprozesse (Autoform, LS-Dyna), Werkzeugberechnung (Abacus, Perma), mechanischer Fügeprozess (Simofacc) sowie Schweißprozess (Welding Planner).

Renz: Hier ist zu unterscheiden zwischen Simulationstools für den Test von Steuerungssoftware und Simulationstools für die dynamische Auslegung des mechatronischen Systems Werkzeugmaschine. Für den Test von Steuerungssoftware kommen PC-basierte Tools zur Nachbildung und Visualisierung von Maschinenfunktionen zum Einsatz. Im Bereich der dynamischen Auslegung nutzen wir ein FEM-Tool zur Analyse mechanischer Strukturen und ein blockorientiertes Simulationstool zur Beschreibung der geregelten Antriebe. Zur gekoppelten Simulation von geregelten Antrieben und Strukturmechanik wird heute ein kondensiertes mechanisches Modell aus der FEM-Umgebung in das blockorientierte Simulationstool exportiert. Mittelfristig soll hierfür die Mehrkörpersimulation mit flexiblen Körpern eingesetzt werden.

eA: Welche Aspekte bzw. fehlende Funktionalitäten hemmen heute noch den praktischen Einsatz?

Hirzle: Da das Thema noch relativ neu ist, stehen wir auch vor diversen Herausforderungen. Die am meisten vermisste Funktionalität ist die fehlende Austauschbarkeit von Informationen zwischen Planungstools. Diesem Problem begegnen wir zurzeit mit unseren Industriepartnern im Standardisierungprojekt „ AutomationML". Wir konnten bisher die erstellten Verhaltensbausteine oft nicht übertragen und weiterverwenden, AutomationML bietet zukünftig eine kostengünstige und effiziente Möglichkeit zum Austausch von Planungsinformationen. Des Weiteren gibt es heute nicht genügend Experten, die die Systeme konfigurieren und bedienen können. Ein weiteres Manko ist die noch geringe Zahl verfügbarer Bibliotheken von Verhaltensmodellen; durch sie kann die Einrichtung der modellbasierten Simulation erst effizient gestaltet werden. Da es sich hier um sehr viele Komponenten handeln kann, ist die Erstellung ein zeitintensiver Prozess. Dazu kommt, dass derzeit nur wenige Anbieter von Softwarelösungen in der Lage sind, mechatronische Komponenten im erforderlichen Detaillierungsgrad und mit der entsprechenden Performance zu erstellen und zu simulieren.

Renz: Insgesamt ist der Aufwand für die Erstellung des Modells des kompletten mechatronischen Systems einer Werkzeugma-schine heute noch sehr hoch. Insbesondere fehlen häufig Informationen zur Modellierung von zugekauften dynamikrelevanten Komponenten wie Getrieben, Linearführungen oder Kabelketten. Nur wenn es gelingt, den Modellierungsaufwand zukünftig durch Teil-Automatisierung und Bereitstellung von Teilmodell-Bibliotheken stark zu reduzieren, wird es möglich sein, derartige Simulationen zur Absicherung der Maschinenauslegung als festen Bestandteil des Entwicklungsprozesses zu etablieren.

eA: Overengineering ist gerade im deutschen Maschinen- und Anlagenbau ein oft diskutiertes Thema. Erhöht die Nutzung von Simulationstools den Engineeringaufwand zusätzlich oder erschließen sich hier eher Rationalisierungspotenziale?

Hirzle: Es ist wichtig, dass wir das richtige Verhältnis zwischen Vorbereitungsaufwand und Simulationsergebnis erreichen. Übertragen auf das Engineering beutet dies beispielsweise, dass wir derzeit validieren, ob es notwendig ist, das physikalische Verhalten eines Antriebs exakt nachzubilden oder ob ein abstrakteres Modell für die erforderlichen Aussagen wie Taktzeit oder Störungsverhalten ausreicht. Weniger ist hier oft mehr. Der Engineeringaufwand wird mit Sicherheit bei Einführung solcher Methoden aufgrund neuer Lernfelder der Mitarbeiter und notwendiger Abwägung des Detaillierungsgrads erhöht. Den wirklichen Benefit werden wir dann aber in der Serienanwendung modelbasierter Simulationen vorweisen können.

Renz: Um Overengineering zu vermeiden, ist es wichtig zu wissen, welcher Detaillierungsgrad eines Simulationsmodells für die Beurteilung des untersuchten Systems im jeweiligen Entwicklungsschritt wirklich erforderlich ist. In der Frühphase kommt es z.B. eher auf einen relativen Vergleich verschiedener Konzepte an, als auf eine absolute Aussage bezüglich der endgültigen Eigenschaften. Durch einen aufwandsoptimalen Einsatz von Simulationstools kann insgesamt Entwicklungszeit eingespart werden, wenn dadurch zeitaufwändige Optimierungsschleifen an realen Prototypen stark reduziert werden.

zg