Modellbasierte Definition verspricht hohen Mehrwert für Qualitätssicherung

Angesichts der vielen Jahre, in denen 3D-CAD-Lösungen auf dem Markt sind und kontinuierlich weiterentwickelt werden, überrascht es, dass diesbezüglich noch nennenswerte Innovationen möglich sein sollen. Doch modellbasierte Definition, kurz MBD, ist ein Verfahren, mit dem Softwareentwickler und die Luft- und Raumfahrtbranche schon lange liebäugeln. Verblüffenderweise passiert in diesem Bereich einiges, und der Einsatz dieser Technologie in der Fertigung kann einen echten Mehrwert bieten.

Der Vorteil von MBD besteht in der Möglichkeit, im Prozess der Produktentwicklung völlig ohne Konstruktionszeichnungen auszukommen. An ihre Stelle tritt ein 3D-CAD-Modell mit hohem Informationsgehalt, das Werkstücke und Baugruppen umfassend definiert und spezifiziert. Dieser neue Ansatz in der Produktentwicklung hilft Zeit und Geld zu sparen, indem er Fertigungsvorgänge vereinfacht und Inspektionsprozesse beschleunigt.

Qualitätssicherung auf der Basis von MBD-Daten

In den vergangenen Jahren ist 3D-CAD für immer mehr Unternehmen ein Thema geworden. Die Anzahl an Konstruktions- und Fertigungsbetrieben, die mit Oberflächen- und Volumenmodellen arbeiten, nimmt laufend zu. In den 3D-Modellen können jedoch keine Angaben über Form- und Lagetoleranzen hinterlegt werden, sodass die Fertigung in ein Ratespiel ausartet. Außerdem ist jede Änderung an der ursprünglichen Konstruktion ein langwieriger, fehleranfälliger Prozess, der oftmals sogar mehrfach wiederholt werden muss. Eines Tages gelangen die mit diesen Schwierigkeiten und Zweifeln behafteten Werkstücke dann in die Qualitätssicherung.

Dort besteht das Hauptproblem im Zusammenhang mit typischen CAD-Modellen darin, dass zur Erstellung eines Inspektionsplans eine separate Zeichnung benötigt wird, welche die Struktur der Bezugselemente, die wichtigen Merkmale und die Toleranzen enthält. Manchmal lässt sich ein Inspektionsplan nur in Zusammenarbeit mit dem Produktentwickler erstellen, der bei der Auslegung der Form- und Lagetoleranzen helfen muss – keine sehr praktische Vorgehensweise für multinationale Konzerne! Dazu kommt noch die Unsicherheit, ob es sich bei den CAD-Daten oder der Konstruktionszeichnung auch wirklich um die aktuellste Version handelt, und schon ist das Chaos perfekt ...

MBD kann die Lösung für all diese Probleme sein, da mittlerweile bereits mehrere CAD-Softwarepakete die Arbeit mit integrierten Form- und Lagetoleranzen unterstützen. Alle erforderlichen Produktinformationen, ebenso wie die benötigten Daten für die Inspektionsplanung, sind in einem einzigen versionskontrollierbaren Datensatz – dem 3D-CAD-Modell – enthalten. MBD konsolidiert die Struktur der Bezugselemente des Werkstücks, den Revisionsstand, die Form- und Lagetoleranzen, die Produktdetails und alle anderen benötigten Angaben im Modell. Für Anwendungen in der Qualitätssicherung sind das tolle Neuigkeiten.

Greifbare Vorteile

Um sich ein realistisches Bild von den potenziellen Möglichkeiten zu machen, muss man sich vor Augen halten, welche Vorteile ein aussagekräftiges CAD-Modell mit sich bringt. Zum einen bietet MBD zum ersten Mal überhaupt eine formale Möglichkeit der Kommunikation zwischen Konstruktions- und Qualitätsverantwortlichen, die nicht auf Konstruktionszeichnungen basiert. Das bedeutet, dass die Designabsichten bei der Erstellung des Werkstückprogramms automatisch verfügbar und klar sind. Beim Einsatz von CAD-Softwaretools erhalten Hersteller von Komponenten eine einzige CAD-Datei, anhand welcher sie alle für die Herstellung und Inspektion des jeweiligen Werkstücks erforderlichen Schritte ausführen können.

Zum anderen können durch MBD menschliche Fehler bei der Übertragung von schriftlichen Aufzeichnungen in die Inspektionssoftware vermieden werden. Bei der Verwendung von 2D-Konstruktionszeichnungen als Ergänzung zu Form- und Lagetoleranzen, Stücklisten und anderen technischen Dokumentationsunterlagen besteht außerdem immer die Gefahr menschlicher Fehler bei der Interpretation dieser Angaben. Die modellbasierte Definition greift zur Konstruktion und Spezifikation von Werkstücken und Baugruppen ausschließlich auf digitale 3D-Daten zurück und verwirklicht damit den lang gehegten Traum von der papierlosen Inspektion.

Last but not least bietet MBD einen automatisierten Mechanismus zur Erstellung eines Werkstückprogramms direkt aus den 3D-Daten. Bei der Durchführung von Konstruktionsänderungen werden gleichzeitig die Inspektionsprogramme angepasst und alle abhängigen Objekte automatisch aktualisiert. Wird die Toleranz eines Elements geändert, werden sofort alle zugehörigen Elemente auf den neuesten Stand gebracht. Insbesondere bei komplexen Werkstücken spart diese Funktion wertvolle Zeit. Weist ein Werkstück beispielsweise 80 Bohrungen auf, deren Toleranzen und Spezifikationen identischen Änderungen unterliegen, werden alle zugehörigen Maße mit einem einzigen Mausklick angepasst.

Aus einer Vision wird Realität

Nur eine kleine Anzahl von CAD-basierten Inspektionssoftware-Plattformen hält Schritt mit der Entwicklung im MBD-Bereich und schöpft die Vorteile, der nunmehr in die Modelle eingebetteten Form- und Lagetoleranzen aus. Einige Systeme verfügen über Grundfunktionen zur Erstellung von Merkmalen, Bezugsdefinitionen und zugehörigen Maßen mit einem einzigen Mausklick. PC-DMIS Planner dagegen, die von Hexagon Manufacturing Intelligence entwickelte Software zur Inspektionsplanung, geht einen Schritt weiter, indem sie den Inspektionsvorgang auf der Grundlage von Konstruktionsänderungen und integrierten Form- und Lagetoleranzen automatisiert. Die Software ist in der Lage, komplette und partielle Inspektionsprogramme zu erstellen und die Versionsverwaltung zu unterstützen, ohne dabei an ein bestimmtes Messgerät gebunden zu sein. Selbst die Wahl der angewendeten Messtechnologie – Einzelpunktantastung, analoges Scanning, optische Sensoren oder Laserscanning – ist flexibel. 

Ist die Inspektionssoftware über eine dynamische Schnittstelle mit dem CAD-Modell verbunden, informiert die Funktion „Change Manager“ den Qualitätstechniker über Aktualisierungen oder Änderungen am CAD-Modell. Diese Änderungen können dann angenommen oder abgelehnt werden. Parallel dazu passt die Software den Prüfpfad an, wobei automatisch die effizienteste Möglichkeit zur Umsetzung der erforderlichen Veränderungen gewählt wird. Während die Inspektionsroutine für Elemente und Maße automatisch unter Berücksichtigung der höchstmöglichen Effizienz bei der Messung erstellt wird, kann der Anwender das Messprotokoll beliebig gestalten.

Die CAD-Daten lassen sich einfach importieren. Anschließend werden im 3D-Modell Toleranzrahmen bzw. andere lineare Maße ausgewählt. Jedes ausgewählte Maß ergänzt den Inspektionsplan um die aktuellsten Elemente und Toleranzen. Eine Interpretation der Designdaten durch den Prüfer ist nicht mehr länger nötig. Die Software basiert auf PTB-zertifizierten Algorithmen für die ISO-Normen sowie ASME Y14.5-1994 und ASME Y14.5-2009, um den höchstmöglichen Grad an Messgenauigkeit zu erzielen. Diese Algorithmen kommen gleich bei der Erstellung des ursprünglichen Inspektionsplans automatisch zum Einsatz. Die Inspektionssoftware stellt außerdem sicher, dass gemeinsame Bezugselemente, auf die mehrere Toleranzrahmen verweisen, in der Inspektionsroutine nicht dupliziert werden, um die Inspektionszeit trotz hoher Genauigkeit gering zu halten. Dies ist ein klarer Paradigmenwechsel in Bezug auf den Prozess, da die Gewährleistung von Durchsatz und Genauigkeit bisher immer Aufgabe des Qualitätstechnikers war. Durch die modellbasierte Definition wird diese Aufgabe nun vom Techniker auf die Software verlagert.

Mithilfe der Tools von PC-DMIS Planner lässt sich der Inspektionspfad automatisch optimieren. Die Software gruppiert zu prüfende Elemente nach räumlicher Nähe und Antastwinkel, um so Sensorbewegungen und Tasterwechsel zu minimieren. Der Qualitätstechniker kann im Inspektionsplan verschiedene Standardeinstellungen hinterlegen, um die Anzahl der zu messenden Punkte und deren Positionen in Übereinstimmung mit internen oder kundenseitigen Anforderungen zu definieren. Nach dem Import des Inspektionsplans können die Echtzeit-Funktionen von PC-DMIS genutzt werden, um Änderungen während des Messprozesses vorzunehmen oder bekannte Problemstellen bzw. entscheidende Merkmale punktuell nachzubearbeiten. Für die meisten Inspektionsroutinen bringt dieser neue Ansatz eine dreißigprozentige Erhöhung des Durchsatzes mit sich, wobei in Einzelfällen sogar schon 50 % und mehr erzielt werden konnten.

Da Effizienz und Geschwindigkeit mehr oder weniger gleichbedeutend sind, und Geschwindigkeit Sicherheit erfordert, macht sich eine weitere neue Softwarefunktion den in PC-DMIS enthaltenen Begrenzungsrahmen des Modells zunutze. Auch kreisförmige oder unregelmäßig geformte Werkstücke (wie Turbinenschaufeln, Lenkarme, Prothesen, Implantate usw.) werden von einem solchen Begrenzungsrahmen umgeben. Ist dieses „Kraftfeld“ in PC-DMIS aktiviert, sorgen hochentwickelte Algorithmen dafür, dass der Taster nicht mit dem Werkstück kollidiert. Dazu muss sich der Taster vorsichtig aus der Umgebung von Werkstück und Aufspannvorrichtung entfernen, bevor er sich dem nächsten Element nähert oder eine Drehung des Messkopfs durchgeführt wird. All diese Bewegungen sind nicht mehr länger Aufgabe des Bedieners.

MBD – wie geht es weiter?

Basierend auf den unbestreitbaren Vorteilen von 3D-Informationen wird MBD ihren Siegeszug weiter fortsetzen. Unternehmen können ihre CAD-Modelle zur weiteren Verbesserung ihrer Produktentwicklungsprozesse nutzen und sich die Qualitätssicherung gleichzeitig mithilfe MBD-tauglicher Inspektionssoftware erleichtern. Durch die Integration sämtlicher benötigter Informationen im CAD-Modell kann Zeit gespart und das Potenzial für menschliche Fehler verringert werden.

MBD reduziert den Arbeitsaufwand der Qualitätstechniker, indem es viele der Routinetätigkeiten im Zusammenhang mit Änderungen übernimmt. Während den Qualitätstechnikern zur Erzielung zuverlässiger Messergebnisse nach wie vor wichtige Aufgaben zukommen, wenn es zum Beispiel um vorbildliche Verfahren, Aufspannvorrichtungen, Kundenanforderungen und die Anwendung von Form- und Lagetoleranzen geht, reduziert sich der Zeitaufwand zur Anpassung der Inspektionsroutinen bei Konstruktionsänderungen künftig wesentlich, da die Software diese Tätigkeit übernimmt.

Mit der zunehmenden Verbreitung von MBD werden deutliche Produktivitätssteigerungen in der Qualitätssicherung einhergehen. Gleichzeitig wird es den Qualitätsingenieuren immer besser gelingen, die Designabsichten der Konstrukteure in Werkstücken und Baugruppen umzusetzen. Angesichts all dieser Fortschritte fällt es nicht schwer, sich eine Zukunft vorzustellen, in der Werkstückinspektionen zu einem Kinderspiel werden.