Pictures of the Future   Herbst 2007

Schneller zum Produkt

Die Planung und Konstruktion technisch anspruchsvoller Produkte war bisher ein langwieriger Prozess. Siemens setzt daher künftig auf die digitale Produktentwicklung. Dabei werden alle Schritte von den ersten Modellzeichnungen bis zum Prototypen in der virtuellen Realität geplant. Das erleichtert die Abstimmung der Fachleute enorm und verkürzt den Entwicklungsprozess oft um Monate.

Postsortieranlagen sind gefräßige Maschinen-Monster. In einer Stunde verarbeiten sie spielend bis zu 40 000 Briefe, die sie in einem rasenden Strom über ihre Sortierweichen jagen. An jeder Weiche werden die Umschläge mit sanftem Druck aufs richtige Gleis geleitet. In diesem Hochgeschwindigkeitssystem hätte ein steifer Brief mit hartem Inhalt – etwa einer CD – fatale Folgen: Er bliebe in einer der Weichen stecken und würde einen gewaltigen Papierstau verursachen. Innerhalb von Sekunden wären Hunderte Briefe aufgelaufen. Eine zeitraubende Zwangsabschaltung wäre die Folge.

Zur Sicherheit verfügen die riesigen Sortieranlagen deshalb über Steifigkeitsmessmodule  – feinmechanische Präzisionsinstrumente. Wie ein kleiner Finger tippt ein solches Modul jeden Brief kurz an und misst so dessen Widerstand. Zu steife Briefe werden aussortiert, bevor sie in den Tiefen der Maschine verschwinden und Schaden anrichten. Das Modul muss zugleich empfindlich und schnell sein, um jeden der vorbeieilenden Umschläge zu berühren, ohne ihn zu beschädigen.

Für eine neue, noch leistungsfähigere Maschine benötigten die für die Produktion von Sortieranlagen zuständigen Ingenieure der Postautomatisierung in Konstanz – ein Geschäftsgebiet des Siemens-Bereichs Industrial Solutions and Services (I&S) – vor etwa einem Jahr ein besonders flinkes Modul: Gerade einmal 5 ms sollte eine Messung dauern. Das war nur mit einem Hightech-Gerät zu schaffen, dessen Elektromotoren den Messfinger mit Höchstgeschwindigkeit und enormer Exaktheit vor- und zurückbewegen müssen.

Den Konstanzern war klar, dass die Entwicklung eines so ausgefeilten Gerätes ausgesprochen knifflig sein würde. Sie bezogen deshalb die Experten des Fachzentrums Virtual Design von Siemens Corporate Technology (CT) in München in die Planung ein. Hier werden komplexe Produkte am Computer entworfen, in der virtuellen Welt zum Leben erweckt und getestet, bevor auch nur ein Prototyp gebaut ist. Selbst das Brummen von Waschmaschinen ertönt hier schon aus Lautsprechern, bevor sie existieren.

Erfolg durch Parallelarbeit. Dass Produkte als wirklichkeitsnahes 3D-Modell über den Computerbildschirm tanzen, ist freilich nicht neu. Das Computer Aided Design (CAD) zum Beispiel, der computerunterstützte Entwurf, ist längst Werkzeug einer jeden Konstruktionsabteilung. Und auch die Simulation mancher Strömungen oder akustischer Schwingungen ist Stand der Technik. "Unsere Leistung besteht darin, dass wir all diese virtuellen Modellierungs- und Simulationswerkzeuge zu einem integrierten Ansatz verknüpft haben", sagt Bernd Friedrich, Leiter des Kompetenzfeldes Virtual Product.

Schwerpunkt seiner Arbeit ist die mechatronische Systementwicklung, bei der die mechanischen Komponenten sowie die elektronische Steuerungs- und Regeltechnik parallel entworfen und zusammengefügt werden. "FINE" – Functional and Integrated Engineering of Mechatronical Systems – nennen die Münchener diese virtuelle Entwurfs-Methode. Sämtliche mechatronischen Komponenten werden mit FINE gleichzeitig entwickelt. An diesem virtuellen Modell arbeiten alle Spezialisten wie Maschinenbau-, Elektro- und Software-Ingenieure Hand in Hand. So wird schnell klar, ob Motor und Steuerung tatsächlich zusammenpassen.

Friedrich: "Früher wurde erst die Mechanik gebaut, dann die Elektronik hinzugefügt und ganz zum Schluss die Steuerung auf der fertigen Hardware getestet – doch dieser Ansatz ist längst zu langsam." Insbesondere, weil Fehler, wie ein dynamisch zu schwach ausgelegter Motor oder eine zu träge Regelung, häufig erst im Zusammenspiel aller Komponenten und damit zu spät erkannt wurden. "Oftmals wurden mehrere Prototypen gebaut und getestet, ehe der produktreife Entwurf vorlag." Beim neuen parallelen, so genannten Concurrent Engineering hingegen arbeiten von Anfang an alle Disziplinen zusammen, sodass bereits ein voll funktionsfähiges Produktmodell im Rechner vorliegt. So lassen sich am Computer verschiedene Varianten durchspielen. Selbst kurz vor Ende der Entwicklung kann man noch Kundenwünsche berücksichtigen. "Die Entwicklung wird damit nach unseren Erkenntnissen um bis zu ein Drittel schneller", sagt Friedrich. "Ganz gleich, ob Autokomponenten oder ganze Kraftwerke – neue Produkte kommen immer schneller auf den Markt. Da ist die Verkürzung der Time-to-Market essenziell für den Verkaufserfolg."

Beim Steifigkeitsmessmodul der Postautomatisierung kam es allerdings weniger auf die Verkürzung der Entwicklungszeit an, sondern vielmehr darauf, die geforderten dynamischen Leistungen des Produktes zu erreichen. Diesen Nachweis konnten die Münchner mit ihrem virtuellen Modell erbringen, in dem alle Komponenten mit der geforderten Geschwindigkeit und Präzision perfekt zusammenarbeiteten. "Bemerkenswert ist insbesondere die Verknüpfung der verschiedenen mechatronischen Aspekte", sagt Dr. Thomas Baudisch, bei CT verantwortlich für das Themengebiet mechatronische Produktentwicklung. "Erst durch unseren interdisziplinären Ansatz konnten wir das Gerät optimal ausgelegen."

Multiphysikalischer Eigenbau. Hinter der Integration steckt auch eine Menge mathematischen Wissens, denn ein derart komplexer Ansatz ist nur möglich, wenn man in der Lage ist, die erforderlichen Algorithmen selbst zu erstellen. Zur Virtual-Design-Center-Mannschaft gehören deshalb mehrere Mathematiker, die gemeinsam mit den Ingenieuren den so genannten multiphysikalischen Ansatz entwickelt haben. Dieser berücksichtigt viele physikalische Eigenschaften – Temperaturverteilungen im Material, Schwingungsverhalten oder Festigkeiten. Damit fließen ins virtuelle Produkt Parameter ein, die seine zukünftige Funktionalität und Qualität ausmachen. Erst dadurch lässt sich erkennen, ob eine Waschmaschine später tatsächlich flüsterleise schleudert. Der multiphysikalische Ansatz reicht sogar noch über das Produkt hinaus. Er berücksichtigt die ganze Prozesskette von den ersten Entwürfen bis zur künftigen Herstellung – den Weg vom CAD übers CAE (Computer Aided Engineering), die eigentliche Simulation und Modellierung des Produkts, bis zum CAM (Computer Aided Manufacturing). So haben die CT-Experten für die Herstellung von Turbinenschaufeln berechnet, mit welcher Kraft die Fräs- und Schneidwerkzeuge die Schaufeloberfläche abtragen. Dank dieser Schnittkraftberechnung konnte dann diejenige Halterung in der Fräsmaschine optimal dimensioniert werden, an der die Schaufel während der Bearbeitung befestigt ist.

Und noch etwas haben die CT-Mathematiker im Blick: natürliche Schwankungen. So sind beispielsweise die Bedingungen in der Brennkammer einer Gasturbine nicht immer gleich. Schwankende Gaszusammensetzungen, Temperaturen sowie Bauteiltoleranzen haben große Auswirkungen auf die beste Geometrie der Schaufel. Genau diese Schwankungen berücksichtigt der mathematische Optimierungsansatz. Er rechnet die Unsicherheiten mit ein und macht so eine optimale Auslegung möglich. RoDeO – Robust Design Optimization – nennen die Münchner ihre Lösung. "Mit diesem probabilistischen Ansatz bewegen wir uns im Grenzbereich der Mathematik. Das ist ein bislang einzigartiger Weg in der Produktentwicklung", sagt Friedrich stolz.

Globale Turbinen-Entwicklung. Die Fachleute von Siemens Power Generation (PG) in Berlin haben es ebenfalls mit Turbinenschaufeln zu tun. Ihre Spezialität sind der Bau und die Entwicklung kompletter Gasturbinen. Diese Maschinen, die so schwer sind wie mehrere Lokomotiven, bestehen aus Tausenden von Bauteilen, allein mehreren Hundert Präzisionsschaufeln, die exakt zusammengefügt werden müssen. Bei der Entwicklung der brandneuen 340 MW starken Turbine für das neue Gas-und-Dampfturbinenkraftwerk im bayerischen Irsching ( Der Koloss von Irsching) setzten die Berliner erstmals im großen Umfang virtuelle Planungswerkzeuge ein. Wichtigstes Ziel war die Zeitersparnis durch eine bessere Abstimmung der Abteilungen, die an mehreren Standorten arbeiten – die Designer in Orlando, die Konstrukteure in Mülheim und die Produktionsfachleute in Berlin.

Bislang wurden Konstruktionszeichnungen per Kurier hin und her geschickt und mit handgeschriebenen Kommentaren versehen. In anderen Fällen wurden Skizzen und Zeichnungen eingescannt und elektronisch versandt. Häufig mussten die Experten selbst zu den Kollegen reisen. Heute schalten sich die Beteiligten zunehmend in einer Videokonferenz zusammen. Die drei Standorte sind dafür mit je einem VR-System, einer so genannten Powerwall, für die Präsentation des virtuellen Turbinen-Modells ausgestattet und via Datenleitung miteinander verknüpft. So können die Mitarbeiter gleichzeitig dasselbe Modell betrachten. "Die Qualität der Diskussion hat sich dadurch enorm verbessert, der ganze Prozess beschleunigt", sagt Michael Schwarzlose, der die virtuelle Turbinenentwicklung bei PG eingeführt hat. Das Modell bietet, anders als die abstrakte Konstruktionszeichnung, eine gemeinsame Kommunikationsebene, die die Verständigung erleichtert. Der Monteur etwa erkennt schnell, ob Bauteile bei der Montage kollidieren werden. Zusätzlich sei der gesamte Entwicklungsprozess flüssiger und plastischer geworden, erklärt Schwarzlose.

Der Produktentwicklungsprozess einer neuen Turbine ist gewöhnlich mühevoll und besteht aus vielen Schritten. Er beginnt grundsätzlich mit einem Entwurf in 3D-CAD-Programmen. Diese 3D-Modelle entstehen noch vor der detaillierten 2D-Zeichnung und dienen vor allem dazu, frühzeitig Beschaffbarkeit und Fertigung sowie Montage zu überprüfen. Erst in den nächsten Schritten des Produktentstehungsprozesses legt der Konstrukteur die Fertigungszeichnung an. Schwarzlose: "Diesen doppelten Aufwand für die Erstellung von Zeichnungen oder Skizzen können wir uns jetzt sparen. Wir übersetzen nun vom CAD gleich ins virtuelle Modell."

Die Virtual-Reality-(VR)-Software stammt von der Firma ICIDO, einer Ausgründung des Fraunhofer-Instituts IPA in Stuttgart, die auf die Planung derart großer Maschinen oder ganzer Fabriken spezialisiert ist. Dieses Planungswerkzeug hat Schwarzlose 2003 bei PG eingeführt – zu einem Zeitpunkt, als die 340-MW-Hochleistungsturbine für das Kraftwerk in Irsching noch in der frühen Entwicklung steckte.

2005 kam ein weiteres virtuelles Element hinzu: ein VR-System für die Gasturbinen-Endmontage. Der Aufbau einer riesigen Turbine dauert Wochen und ist fast so komplex wie die Flugzeugproduktion – ein Hightech-Puzzle. Um die Montage zu beschleunigen, können die Mechaniker jetzt vor dem Praxiseinsatz am virtuellen Endmontage-Programm die Handgriffe einüben. Noch vor wenigen Jahren war das undenkbar. Schwarzlose erinnert sich an ein Beispiel aus der frühen Entstehungszeit der Irsching-Turbine: Um die Montage zu testen, wurde in Berlin ein vollständiges Modell einer Turbinen-Brennkammer im Maßstab 1:1 aufgebaut. Von der Bestellung bis zur Montage gingen einige Monate ins Land, ehe das Modell stand. Erst danach konnte die eigentliche Montageprüfung starten.

Wochen an Zeitersparnis. Insgesamt ist der Zeitgewinn durch die neuen virtuellen Werkzeuge enorm. Früher vergingen je nach Komplexität einzelner Turbinenteile manchmal Wochen bis Monate, bis feststand, ob sich die Komponenten in der vorgesehenen Weise montieren oder herstellen lassen. "Zwar ersetzt eine virtuelle Realität nicht in jedem Fall den realen Arbeitsschritt", sagt Schwarzlose – so seien im Modell beispielsweise kleinste Toleranzen nicht darstellbar oder spürbar. "Doch in der Summe trägt der virtuelle Planungsprozess zu einer wesentlichen Verkürzung der Entwicklungszeit bei”. So wird die Irsching-Turbine demnächst nach nur sieben Jahren Planung und Bau in Betrieb gehen. Bei früheren Projekten dauerte es deutlich länger.

Künftig soll VR bei PG ein fester Bestandteil des Produktlebenszyklus werden. Eine Roadmap zur Realisierung eines PLM-Prozesses wird derzeit abgestimmt. Das Ziel ist es, endgültig alle Entwicklungsprozesse einzubinden, verschiedene Entwicklungsplattformen zusammenzuführen und den Datenaustausch zu vereinfachen. Neue Simulationswerkzeuge – etwa die der von Siemens neu erworbenen Firma UGS ( Product Lifecycle Management) – werden die virtuelle Realität zu einem entscheidenden Entwicklungsbaustein machen, der die Wirklichkeit immer exakter abbildet. Das gilt nicht mehr nur für einzelne Produkte, sondern längst auch für ganze Fabrikstandorte, die im Computer entstehen ( Fabrik im Rechner) – mit einem erheblichen Gewinn an Zeit und Kosten.
                                                                                                                  Tim Schröder

Für eine bessere räumliche und zeitliche Auflösung seiner Bilder braucht ein moderner Computertomograph immer mehr Sensorplatinen – elektronische Komponenten, die Röntgenstrahlen detektieren und sie in elektrische Signale umwandeln, die dann von der Software zu Bildern aus dem Körperinneren zusammengesetzt werden. So hat der neueste Computertomograph, den Siemens Ende 2007 vorstellt, nicht weniger als 150 dieser Sensorplatinen. Da das Einsetzen von Sensorplatinen von Hand mit zunehmender Anzahl immer weniger praktikabel wird, haben Fachleute von Siemens Medical Solutions (Med) zusammen mit Josef Pössinger von Corporate Technology das Einsetzen und Testen der Platinen automatisiert. Mit dieser Technologie wird laut Med-Projektmanager Dr. Marcus Wagner "eine Genauigkeit von 0,1 mm oder besser erreicht". Bei diesem unter dem Namen AutoSETA (Automatic Sensor Test Facility) bekannten Verfahren greift ein Roboterarm die Platinen und platziert sie in einen Abschnitt der Detektorbaugruppe, wo sie dann Röntgenstrahlen ausgesetzt und getestet werden. AutoSETA ersetzt nicht nur das zeitaufwändige manuelle Arbeiten und Testen durch einen hochpräzisen automatischen Vorgang, sondern verkürzt die für den gesamten Prozess benötigte Zeit auch noch von 80 Minuten auf fünf Minuten – oder von 150 Sekunden auf etwa 2,5 Sekunden pro Sensorplatine. "Dieses System ist unseres Wissens nach die präziseste und schnellste Testanlage ihrer Art", erklärt Wagner.
                                                                                                             Arthur F. Pease