Tarek M ASHHOUR
Konstruktions technik
Technische Universität Hamburg-Harburg, Deutschland
Unterstützung des Konstruktionsprozesses durch den Einsatz von H ilfsm itteln in den nächsten 30 Jahren
Summary
In kleinen Teilbereichen werden vernetzte M ethoden und Hilfsm ittel den Konstrukteur unterstützen. Dabei w ird die Informationsverarbeitung immer mehr an Bedeutung gewinnen, vor allem im Zusam m enhang mit den Neuronalen N etzen. Dabei enstehen Konstruktionswerkzeuge, die auf unterschiedliche Art und W eise auf das W issen der Experten einer Firma oder Firmen w eltw eit zugreifen werden.
1. Einleitung
Das Kriterium Inform ation nimmt neben den klassischen Faktoren Energie und Material im heutigen Produktionsprozeß eine zentrale Rolle ein [Spu87]. Mit der computerintegrierten Fertigung (CIM) beabsichtigt man dabei eine vollständige informationstechnische Verkettung aller am Produktionsprozeß beteiligten Bereiche [Lut85].
Verengt m an das Blickfeld vom gesam ten Produktionsprozeß auf den Teilbereich der Konstruktion, so haben rechnergestützte Verfahren, insbesondere im Bereich des Computer A ided D esign (CAD), eine wesentliche Bedeutung erlangt. H äufig sind in diesem Bereich bereits spezielle Erweiterungen, w ie beispielsw eise zur Erstellung von Festigkeitsberechnungen und strukturdynamischen Berechnungen, mit H ilfe der Finiten Elemente M ethode (FEM) und der M ehrkörpersimulation (MKS) aus erzeugten Geometriedaten zu beobachten.
Betrachtet m a n jedoch alle d em K onstru k tio n sp ro zeß z u g e o rd n e te n T eilbereiche des
• Planens,
• K onzipierens,
• E ntw erfens u n d
• A usarbeitens,
so w ird augenscheinlich, d aß v o rh an d e n e V erfahren fast ausschließlich im S ektor der A usarb eitu n g sp h ase d e r K o n stru k tio n an zu sied eln sind. Im Bereich d es C o m p u te r
A id ed E ngineering (CAE) erfah ren die Bereiche P lanen, K o n zip ieren u n d E ntw erfen w e it w en ig er U n terstü tzu n g .
Ein en tsch e id en d e r G ru n d für die Tatsache ist sicherlich d a rin z u sehen, d aß die K o n stru k tio n sau fg ab e n u r d a n n befriedigend gelöst w e rd e n k an n , w e n n m enschliche K reativität u n d In tu itio n ins Spiel kom m en. Eine V ielzahl vo n E x p erten b ew ä ltig t die a n sie gestellten A n fo rd eru n g e n , in d em sie ihre im Laufe ih rer la n g jäh rig e n T ätigkeit g ew o n n e n en E rfa h ru n g e n in die L ösung ihrer A ufgaben einfließen lassen. D abei ist n icht außer acht z u lassen, daß jed er d er o ben g e n a n n te n T eilbereiche unterschiedlich viele In fo rm atio n sq u ellen sow ie H ilfsm ittel benötigt.
D araus ergeben sich viele offene F ragen, die ein er K lärung b ed ü rfe n , die h ier in A n sätze n d isk u tie rt w e rd e n u n d die als G ru n d lag e fü r ein en Blick in die Z u k u n ft d ie n en sollen.
• W elche H ilfsm ittel u n d M e th o d en gibt es u n d w ie u n te rstü tz e n sie den K o n stru k teu r in d e n u n terschiedlichen T eilbereichen?
• W ie k ö n n te d ab e i die In teg ratio n aussehen?
• W ie sollte der D aten-, Inform ations- u n d W issensfluß zu m K o n stru k te u r aussehen un d m it w elchen H ilfsm itteln u n d M ethoden erfolgen?
• W elche A rt v o n Z u sam m en a rb e it (Team arbeit) u n d K o m m u n ik a tio n fin d e t dabei z w isch e n d en unterschiedlichen A bteilungen u n d d e n K o n stru k te u re n einer
A bteilung statt?
• W ie sollte die O rg an isatio n d es Team s, des D aten-, Info rm atio n s- u n d W issensaustausches au fg eb au t sein u n d die P ro d u k tp la n u n g au sseh en ?
2. D er M a rk t fü r K o n stru k tio n sh ilfs m itte l im Ja h re 2024
Jede P rognose für die Z u k u n ft ist m it vielen U nsich erh eitsfak to ren behaftet. A ber es ist d ennoch m öglich, in seh r g roben Z ü g en abzuschätzen, w elche U m w eltfa k to ren die A u sb reitu n g vo n K o n struktionshilfsm itteln u n d -m eth o d en v o rw ie g e n d beinflussen w erden.
Es scheint sicher z u sein, d aß bis z u m Jahre 2024 die B evölkerung u n se re s P laneten w eiter zu n e h m e n w ird . Die B evölkerung w ird im D u rchschnitt älter sein als heute. W ir en tsp re ch e n d a n n d e r G eneration unserer V äter u n d unsere K in d er w e rd e n in den A n fängen ihres B erufsleben stehen.
W äh ren d u n se re V äter noch die E ntw icklung d er C o m p u ter u n d S oftw are bobachteten, sich lan g sam d a m it v e rtra u t m achten u n d es als nützlich es u n d u n te rstü tze n d es H ilfsm ittel m it S kepsis ein zu setzen begannen, h ab e n w ir es fü r bestim m te A n w e n d u n g e n (T extverarbeitung, D atenbanken, T elebanking, B a n k au to m aten , CAD (als "M alprogram m e"), FEM, etc.) schätzen gelernt u n d a u s u n se re r Sicht als u n v erzichtbares, ja n o tw en d ig es W erkzeug angenom m en. Für die Z u k u n ft w ird dieser T re n d der re c h n e ru n te rstü tz te n W elt sich verstärken, da z u m e in e n un sere K inder m it C o m p u te rn (V ideospielen, L ern p ro g ram m en , etc.) groß w e rd e n u n d d a d u rc h die H em m schw elle beim B enutzen nich t m ehr v o rh an d e n ist u n d z u m a n d e re n die
In fo rm a tio n sv e ra rb e itu n g (Inform ationssystem e) u n d die ko m m u n ik atio n stech n isch e D u rch d rin g u n g , (T elekom m unikation, V ideokonferenzen, etc.) steig en w ird.
A us d iesem G ru n d e scheint es w ahrscheinlich z u sein, d aß alte, b ek a n n te u n d neu e M ethoden so aufbereitet w erd en , d aß sie d e r R echnerw elt a n g e p aß t u n d dem K o nstruktionsprozeß z u g e fü h rt w erd en .
Die g rö ß ten P roblem e bei d er Z u sam m en a rb e it d er K o n stru k tio n a b teilu n g en u n d zw ischen d e n a n d e ren A bteilu n g en (Fertigung, A rbeitsv o rb ereitu n g , M ontage, K u n d e etc.) liegt n ac h [Ehr93] an zw ischenm enschlichen u n d o rg an isa to risc h en D efiziten.
Dieses k ö n n te w eiter zu n eh m en , d a d er M ensch die K o m m u n ik a tio n u n d das Sichm itteilen verlernt. Dies liegt d ara n , d aß er es "nur" noch g e w ö h n t ist, m it u n d über den C o m p u ter zu k o m m u n izie re n u n d seine Inform ationen d a rü b e r bezieht.
3. D ie A n sätze u n d K o n ze p te
Verfolgt m a n die K o n stru k tio n sm eth o d ik (A nfänge vo r ca. 30 Jahren), so lä ß t sich folgendes beobachten:
• die M e th o d en [VDI93] z u m E ntw ickeln vo n L ö su n g sid een (M orphologischer K asten, D eiphim ethode, G estaltungsregeln u n d -richtlinien, etc., [Bir90],[Pah86]), die B ew ertungsverfahren u n d E n tscheidungstechniken (N u tzw erta n aly se , F au lt Tree A nalysis (FTA), M ulti A ttrib u te V alue-V erfahren (M A V -V erfahren), F ailure M ode a n d Effect A nalysis (FMEA), Q uality F unction D ep lo y m en t (QFD) etc.), die sich im Laufe der Jahre entw ickelt h ab e n tau ch en alle p a a r Jahre u n te r einem a n d e ren Begriff m it relativ gleichem In h alt w ieder auf.
• d as gleiche gilt fü r die Z e itv erk ü rz u n g sm e th o d en des P ro d u k tleb en szy k lu sses, w ie S im ultaneous-, C oncurrent-E ngineering u n d C o operative D esign etc..
• d er E insatz d er M e th o d en ist sehr zeitintensiv u n d der Erfolg n ic h t d irek t quantifizierbar.
Das P roblem ist, daß jede M ethode fü r sich in d e n ein zeln en T eilbereichen der K o n struktionsm ethodik Ihre S tärken bzw . Schw ächen hat, es aber keine K om bination oder V erk n ü p fu n g d er M e th o d en gibt. Z u m Beispiel k a n n m a n au s d e n P ro d u k td a te n , her A nforderungsliste, d er Q FD -M ethode u n d der FM EA ein N e tz w e rk von funktionalen A b h ängigkeiten form ulieren, die m it W issen v erse h e n d e n K o n stru k teu r
^ der P lan u n g s- u n d K o nzeptionsphase bei d e r E n tsc h eid u n g sfin d u n g u n te rstü tz e n (Bild 1, Bild 2, Bild 3 u n d Bild 5)
Die R e ch n e ru n terstü tz u n g d u rc h W erkstoffinform ationssystem e, CA D, FEM, MKS, etc.
feisten k ein en d ire k te n Beitrag z u d e n M ethoden, so n d e rn sin d n u r reine A nyvendungsW erkzeuge. Diese W erkzeuge sind, w ie in Bild 2 z u sehen, ü b er eine Schnittstelle STEP (S tan d ard for th e Exchange of P ro d u ct M odel D ata), vgl. [Gra89], v erb u n d en u n d tau sch en P ro d u k td a te n aus.
Benutzeroberfläche / Kommunikation
Kompouentcn-Mauagcr
Analyse Anforderungsf
Generator ,
Modifikation generator
! Entscheid ungs- Y implementierung yf
¡Fähigkeits interprete!
Kommunikation Änderung ßeobachtungs
interpreter
Erstelluugs-Managcj
Graphischer Modelleditor
Ansichts
editor
Element
editor
Gestaltungs Bewertungs Statische
bera ter >- be rater Berechnunger
Gestaltungs _ wissen
Modellverwaltungs-System
f d
^
d dc _______
Graphische Produktmodell Graphische
»_Symbole
L J J
_Ansichten^speziell & allgemein
Kontrolle Datenaustausch
Steuerung
Bild 1 . A u fb a u eines K o n stru k tio n sw erk zeu g s z u r E n tsc h e id u n g su n te rstü tz u n g
E rs te liu n g s - m a n a g e r
( p r o d u k t n e u t r a l u n d s y s t e m a b h ä n g i g )
B e w e rtu n g s m a n a g e r
( p r o d u k ts p e z if is c h u n d b e r e l c h s ü b e r g r e lf e n d )
/ \
Q u a l l t a t 3 s l c h e r u n Q s m e t h o d e n ( In d e n P r o d u k t p l a n u n g s p h a s e n ) p rä v e n t i v :
Q u a lity F u n c t i o n D e p l o y m e n t
M i t
v e r if i z i e r e n d :
F a l l u r e M o d e a n d E f f e c t A n a ly s i s
T r
Q u a lit ä t s m o d e ll
A n f o r d e r u n g e n F u n k t i o n s g r u p p e n F u n k t i o n s e l e m e n t e Q u a l i t ä t s m e r k m a l e
B ild 2 . A ufbau d es E rstellungs- u n d B ew ertungsm anager
G e s t a l t u n g s w l s s e n ^ A n a ly s e w is s e n
W i s s e n s b a s i s
M o d e ll v e r w a l t u n g
Bild 3. A u fbereitung d er P ro d u k td a te n in W issen
Erst d u rc h die K om m u n ik atio n zw ischen d em E rstellungs-M anager u n d dem B ew ertungs-M anager fin d et eine E n tsc h eid u n g su n te rstü tz u n g statt. D abei gilt, d a ß aus d e n D aten Info rm atio n en w e rd e n un d au s d e n Inform ationen W issen w ird [Mey90].
Der in Bild 4 darg estellte Z u sam m en h a n g ist für die P lan u n g u n d O rg a n isa tio n eines T eam s u n d des D aten-, Inform ations- u n d W issensaustausches n o tw en d ig . In [Bah94]
w e rd e n A nsätze z u r O rg an isatio n eines Team s beschrieben.
^ Ko m m u n ik a tio n
O r g a n is a tio n
B ild 4. S tru k tu rie rte D arstellung für die P lan u n g , O rg a n isa tio n u n d K om m u n ik atio n
Da jed o ch das W issen eines E xperten n u r schw er a b z u b ild e n u n d au f d em neu esten S tand z u h alten ist, m ü ssen W ege g efu n d e n w erd en , um a n d a s W issen auch an d e rw e itig h era n zu k o m m e n . D abei kön n te eine A rt M ailbox als V erteiler u n d te m p o rärer S peicher d er F ragen u n d A n tw o rten dienen. Diese M ailbox m u ß in d e r Lage sein, Sprache in Text, Text in S prache und n atü rlich auch Text in Text zu v e rste h en und u m z u w a n d eln . Ü b er ein S ch lü sselw orterkennungssystem m u ß die Z u o rd n u n g zu m E xperten h erg e stellt w e rd e n können. Ein P roblem in der h e u tig e n Z eit w ird es sein, alle M itarb eiter d a z u z u m otivieren, aktiv m itzuarbeiten. Z eitv erlu st d ü rfte d a d u rc h kau m entsteh en , d a je d er in Z u k u n ft seinen PC o d e r seine W o rk sta tio n a u f seinem Schreibtisch o d e r an d e r W erkzeugm aschine steh en hat. Die gestellten F ragen un d A n tw o rte n m ü ssen d a n n au to m atisch in die W issensbasis u n d d as N etz w erk der fu n k tio n a len Z u sam m en h ä n g e au fg en o m m en w erd en . D ieser dynam ische, le rn o rie n tie rte A b lau f erfo rd e rt die A nsätze d er N e u ro n a le n N etze.
Das K o n stru k tio n sw e rk z eu g wi r d d a d u rc h auf die untersch ied lich en W issensbereiche u n d K o m p eten z eb e n en in Form eines m e h reb en en N e u ro n a le n N etz w e rk s au fg eb au t sein. W ie kom plex so ein N etz w erk aussieht, ist am Beispiel v o n d e n V erb in d u n g sa rten im M aschinenelem entebereich darg estellt (Bild 5).
4. D ie T e c h n o lo g ie n
Die H a rd - u n d S oftw are-L andschaften sind z u r Z eit sehr h e te ro g e n u n d es w ird auch im Jahre 2024 v o raussichtlich nich t an d e rs sein. Z w ar w e rd e n die P ro g ram m e leistu n g sfäh ig er sein, jedoch w e rd e n sie in gleichem M aße m e h r S peich erk ap azität benötigen. W ir b efin d e n u n s h eu te im G iga-Bereich w as d ie S p eic h erk ap a zität angeht, in Z u k u n ft w e rd e n w ir jedoch in die Teraebene ein d rin g en . Die R echner w e rd e n zw ar leistu n g sfäh ig er sein, jedoch ist zu befürchten, daß diese L eistung d u rc h d en z u n e h m e n d e n N etz w erk v erk eh r u n d die k om plexen u n d u m fan g reich e n P rogram m e erheblich b e in träch tig t w e rd e n w ird.
Bild 5.1nterdependenzen im E n tw u rfsp ro ze ß v o n V erb in d u n g en
So unw irklich die geschilderten Beispiele auch gewesen sein mögen, so haben sie doch bestimmte Gemeinsamkeiten:
• Keine M ethode bzw. kein Hilfsmittel w ird wirklich neu sein. Sie m üssen ledig
lich preisw erter angeboten, spezieller auf den K unden und an unterschied
liche Problembereiche angepaßt werden, um die M assenm ärkte bedienen zu können.
• die R echnerunterstützung in den Teilbereichen der K onstruktionsm ethodik w ird nach wie vor nicht ohne das Wissen, die Kreativität und Intuition des M enschen auskom m en können.
• CAD, FEM und MKS w erden m ehr als nur rein geom etriebasiert arbeiten. Das heißt, sie w erden nicht m ehr nur Daten austauschen und verarbeiten, sondern auch Inform ationen und Wissen integriert haben.
Wir w erden zunehm end in einer simulierten Welt leben und versuchen, zum Beispiel den K onstruktions- und Fertigungsprozeß zu verkürzen und zu optimieren. In kleinen Teilbereichen w ird das auch möglich sein, jedoch nie ganzheitlich. Dafür gibt es einfach noch zu viele ungelöste Probleme wie zum Beispiel im Bereich der Faserverbundw erk
stoffe oder der Klebverbindungen. Es m üssen deshalb erst einm al für Teilbereiche die richtigen Daten, Inform ationen und Wissen gesammelt, strukturiert und abgebildet werden.
Der M arkt für die Inform ationsverarbeitung und U nterstützungsw erkzeuge w ird auch in den kom m enden drei Jahrzehnten weiter starkes W achstum zeigen. Die Neuronalen Netze w erden hierbei einen großen Beitrag leisten.
5. D is k u s s io n u n d Z u sa m m e n fa ssu n g
8. L iteratu rverzeich n is
[Bah94]
[Bir90]
[Ehr93]
[Gra89]
[Lut85]
[Mey90]
[Pah86]
[Spu87]
[VDI93]
Gutachter:
Bahlow, J.: Wirksammc Qualitätssicherung im Entwicklungsprozeß durch bereichsübergreifende Produkt-Teams, VDI-Bericht 1106, VDI- Verlag 1994.
Birkhofer, H.: Konstruieren im Sondermaschinenbau -Erfahrungen mit Methodik und Rechnereinsatz, VDI-Bericht 812, VDI-Verlag, 1990
Ehrlenspiel, K.: Industrieprobleme in Entwicklung und Konstruktion, Konstruktion 45 (1993)
G rabow sky,: STEP-Entwicklung einer Schnittstelle zum Produktdatenaustausch, VDI-Z 131 (1989)
Luttmer, G.: Integrierte Automatisierung industrieller Gesamtsysteme, VDI- Bericht 580, VDI-Verlag 1985.
Meyer, W.: Expertsystems in Factory Management, Eilis H orw ood Limited (1990)
Pahl, G. : Konstruktionslehre, Springer-Verlag 2 Auflagel986 Beitz, W.
Spur, G.: Informationsverarbeitung als Produktionsfaktor, in Proceedings W erkzeugm aschinenkolloquium '87 Produktionstechnik auf dem Weg zum integrierten Systems, VDI-Verlag, 1987
N.N.: Methodik zum Entwickeln und Konstruieren technischer Systeme und Produkte, VDI-Richtlinie, VDI-Verlag, 1993
W ojciech Cholew a
![Mark Siemionowicz Żywow (16 maja 1893 - 20 lutego 1962) [nekrolog]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)