Mit TopSolid hart am Wind

Datum: 01.09.2003

Man stelle sich vor, die Designer von Michael Schumachers Boliden würden plötzlich Serienautos entwickeln. Undenkbar? Nicht im Segelsport. Judel/vrolijk & co ist eine der ersten Adressen der Welt, wenn es um das Design von Regattayachten für internationale Wettfahrten wie America′s Cup, Admirals′s Cup, Copa del Rey, Whitbread Race Around The World, Daimler Chrysler North Atlantic Challenge oder Sardinia′s Cup geht. Das Ingenieurbüro in Bremerhaven entwirft aber auch erfolgreich Fahrten- und Serienyachten. Um dabei möglichst viel Komfort kollisionsfrei auf wenig Raum unterzubringen, werden die Boote mit der MISSLER-Software TopSolid in 3D konstruiert.

Mit dem Design von erfolgreichen Regattayachten hat sich judel/vrolijk & co international einen Namen gemacht. (Bild: judel/vrolijk & co)

Die judel/vrolijk & co –engineering gmbh ist ein international tätiges Konstruktionsbüro, das Segel- und Motoryachten entwirft und konstruiert und kleinere kommerzielle Schiffbauprojekte realisiert. Gegründet wurde es im Jahr 1978 von Friedrich Judel und Rolf Vrolijk, zu denen sich 1986 Torsten Conradi als dritter Partner gesellte. Mit der ersten Serienrennyacht namens „Popcorn" gelang dem Büro der Einstieg in die Regattaszene, in der es sich mittlerweile fest etabliert hat. Designs von judel/vrolijk & co holten zahlreiche Siege in internationalen Regatten - dreimal gewannen ihre Boote allein den Admiral's Cup, die inoffizielle Team-Weltmeisterschaft der Hochseesegler.

Dank der vielen Erfolge gehört judel/vrolijk & co heute zu der Handvoll von Yacht-Design-Büros auf der ganzen Welt, die für die Rennställe in der Formel 1 des Segelsports tätig sind. Die Yachtdesigner aus Bremerhaven waren beispielsweise an der Entwicklung des deutschen America′s Cupper beteiligt, mit dem das Illbruck-Team an den Start gehen wollte, und konzipieren auch die neue Rennyacht für den spanischen König Juan Carlos. Das Renngeschäft ist allerdings nicht das einzige Standbein der Firma, und auch nicht mehr das umsatzstärkste: In den letzten Jahren hat sie sich zu einem der führenden Büros für den Entwurf von Cruising-Yachten entwickelt.

Individuelle Kundenwünsche

Neben reinen Rennyachten und Cruiser-Racern konstruieren die acht Mitarbeiter bei judel/vrolijk & co heute große Fahrtenyachten für Einzelkunden und auch Serienyachten im Auftrag von renommierten Werften wie Baltic Yachts (Finnland), Najad Varvet (Schweden), Dehler Yachtbau oder Yachtzentrum Greifswald. Die Bootspalette reicht von schweren Verdrängeryachten aus Stahl bis hin zu ultraleichten Sandwich-Konstruktionen aus kohlefaserverstärktem Kunststoff. In zunehmendem Maße konzipiert die Firma außerdem luxuriöse Motoryachten.

Über 350 Yachtkonstruktionen hat judel/vrolijk & co im Laufe der Jahre ausgeführt. Im Durchschnitt werden pro Jahr zehn Projekte abgeschlossen, die sich aber je nach Größe über einen Zeitraum bis zu zwei Jahren hinziehen können. Philosophie des Hauses ist die konsequente Umsetzung von individuellen Kundenwünschen, und wenn der Kunde es wünscht, begleiten die Yachtdesigner das Projekt vom ersten Zeichenstrich über die Ausschreibung bis zur Bootstaufe. So konstruiert die Firma gerade im Kundenauftrag zwei 45 Meter lange Yachten für eine finnische Werft.

Während bei Regattabooten das Design von Bootsform und Rumpf im Vordergrund steht, stecken die Yachtdesigner bei den luxuriösen Cruising-Yachten sehr viel Arbeit in das Innenleben. (Bild: judel/vrolijk & co)

Die Kundenwünsche sind völlig unterschiedlich, je nachdem, ob es sich um eine Renn- oder eine Cruising-Yacht handelt. Bei Regattabooten steht eindeutig das Design von Bootsform und Rumpf im Vordergrund, während bei den luxuriösen Cruising-Yachten zusätzlich sehr viel Arbeit in das Innenleben gesteckt wird „Eine Segelyacht ist ja ein völlig autarkes System mit eigener Strom- und Wasserversorgung, Lüftung, Klima- und Sanitärtechnik", erläutert Torsten Conradi. „Yachtdesigner sind gewissermaßen Architekten, Haustechniker und Statiker in einer Person und übernehmen oft sogar noch die Aufgaben des Innenarchitekten." In 2D auf Kollisionskurs

Die Fahrtenyachten werden immer größer und kompakter, weil die Auftraggeber möglichst viel Ausstattung hineinstecken möchten. Dadurch kam es bei der 2D-Konstruktion öfter zu Überschneidungsproblemen, die erst auf der Werft entdeckt wurden und dann zu unnötigen Nacharbeiten führten. „Drei Viertel der Fehler bestanden darin, dass etwas gezeichnet wurde, was nachher nicht hineinpasste oder mit anderen Bauteilen kollidierte", erläutert Conradi, der deshalb schon seit längerem ein 3D-CAD-System einführen wollte. Unmittelbarer Anlass für die Installation des ersten TopSolid-Arbeitsplatzes war allerdings die Entwicklung des deutschen America`s Cupper, die auf Wunsch des Auftraggebers in 3D erfolgen sollte.

Kurioserweise stand die integrierte CAD/CAM-Lösung von MISSLER bei der Systemauswahl gar nicht zur Debatte, sondern kam nur durch einen Zufall ins Spiel: Der Bochumer Vertriebspartner ISK CAD/CAM-Systeme bot sich an, die Software in Bremerhaven vorzustellen, und überzeugte die Yachtdesigner auf Anhieb von ihren Qualitäten. „Wir hatten spontan den Eindruck, dass TopSolid dem entsprach, was wir suchten", sagt Conradi. „Mit Unterstützung von ISK haben wir die Software so angepasst, dass sie unsere speziellen Anforderungen im Yachtdesign erfüllt. Wir sind von dem Programm inzwischen sehr überzeugt und denken darüber nach, das Büro komplett auf TopSolid umzustellen."

Derzeit sind in Bremerhaven drei TopSolid-Arbeitsplätze in einer Windows 2000-Umgebung installiert. Bei den Rechnern handelt es sich um Personal Computer mit 600 MB Hauptspeicher, 30 GB großer Festplatte und leistungsfähiger Grafikkarte, die über einen Datenserver miteinander vernetzt sind, so dass alle Anwender bei Bedarf auf die laufenden Projektinformationen zugreifen können. Die Softwarekonfiguration umfasst neben dem Grundpaket von TopSolid das Blechmodul, das für die Abwicklung von Plexiglas-Fensterscheiben „zweckentfremdet" wird, und das Kinematikmodul, mit dem bewegliche Teile auf Kollisionen geprüft werden.

Yachtdesigner Tim Ulrich schätzt bei der 3D-Modellierung die intuitive Bedienung der TopSolid-Software. (Bild: Wendenburg)

Eine der Stärken von TopSolid ist, dass die Software schnell zu erlernen und einfach zu bedienen ist. Nach zwei Tagen Schulung waren die Anwender in der Lage, die ersten Modelle zu konstruieren. Allerdings dauerte es etwas länger, den richtigen Umgang mit der parametrischen Konstruktionsweise zu erlernen. „Wenn man TopSolid sinnvoll nutzen will, muss man von Anfang an sehr strukturiert an die Aufgabe herangehen, sonst dreht man hinterher unnötig viele Schleifen", sagt Conradi. Die Bootsdesigner haben sich beispielsweise für bestimmte Bereiche wie den Decksaufbau eine einheitliche Methodik zurecht gelegt, die es ihnen ermöglicht, die parametrischen Modelle in anderen Bootsprojekten wiederzuverwenden, wie Tim Ulrich, einer der Anwender erläutert. Übernahme der Rumpfflächen

Das neue 3D-System fügt sich gut in die bestehende Systemlandschaft und die eingespielten Arbeitsabläufe ein. Außer TopSolid setzt judel/vrolijk & co den Flächenmodellierer Euclid Styler, das 2D-CAD-System AutoCAD und die Software MultiSurf für den Entwurf der Bootsrümpfe ein. „Die Gestaltung der Bootsrümpfe erfordert Spezialwerkzeuge, da ihre geometrische Form unter hydrostatischen Gesichtspunkten berechnet und optimiert werden muss, um eine bestimmte Schwerpunktlage und Verdrängungsverteilung zu erreichen", erläutert Conradi. „Eine unserer Anforderungen war deshalb ein sauberer Übergang von der Rumpfgenerierung in TopSolid."

Die Rumpfform hängt davon ab, ob es sich von der Konzeption her um ein schweres und gemütliches Fahrtenboot handelt oder um eine leichte Rennyacht. Aus der Gewichtsrechnung ergibt sich der Schwerpunkt und die nötige Verdrängung, die wiederum das ungefähre Aussehen der Fläche des Bootskörpers bestimmt. Sie wird dann in einem iterativen Prozess hinsichtlich ihrer hydrostatischen Eigenschaften optimiert. „Man schaut immer wieder, wie die Gewichte zu dem vorgegebenen Bootskörper passen, bis man eine optimierte Schale hat", erläutert Ulrich. Diese Schale lässt sich über die IGES-Schnittstelle mit der gewünschten Genauigkeit in TopSolid importieren.

Die Werften nutzen die 3D-Daten der Bootsmodelle, um die Kiele und die Spanten für die Form des Kunststoffrumpfes zu fräsen. Dadurch wird nicht unbedingt das Design, wohl aber der Bootsbau beschleunigt. (Bilder: judel/vrolijk & co)

In dem 3D-CAD-System werden die importierten Rumpfflächen um das Deck ergänzt und in einen Volumenkörper umgewandelt, der ausgehöhlt wird. Dann erzeugt der Yachtdesigner den Spiegel, indem er das Heck abschneidet, verrundet den Bootskörper vorne am Steven und setzt das Cockpit auf das Deck. „Der Import von Freiformflächen und die Kombination von Flächenmodellen und Solids ist bei TopSolids sehr leistungsfähig", urteilt Ulrich. „Allerdings stößt man bei der Bearbeitung von Freiformflächen an die Grenzen des Systems. Wir müssen die Freiformflächen nämlich sehr genau steuern können, da aus strömungstechnischer Sicht entscheidend sein kann, dass ein Punkt an einer bestimmten Stelle liegt."

Verbesserungsbedürftig ist nach Worten von Friedrich Judel vor allem die Funktion für das Verrunden von Flächen mit variablen Radien, was im Bootsbau relativ häufig vorkommt. Ein typischer Anwendungsfall ist der Übergang vom Rumpf zum Kiel, der vorne mit einem kleinen Radius beginnt dann zur Mitte größer wird und nach hinten gegen Null läuft. „Eine gleichmäßige Verrundung funktioniert einwandfrei, aber wenn ich von einem größeren auf einen extrem kleinen Radius oder sogar eine Ecke verrunden will, dann dauert das ewig", erklärt Judel. „Wir haben deshalb gerade am Anfang solche Flächen oft noch in MultiSurf verschnitten und die Geometrien dann wieder per IGES an TopSolid übertragen."

Detaillierung am 2D-System

Die Yachtdesigner modellieren nicht nur der Bootskörper, sondern auch das gesamte Innenleben am 3D-System, wenngleich nicht mit allen Einzelheiten. „Überall da, wo es um Einbauräume geht, arbeiten wir in 3D, um sicherzustellen, dass alles zusammenpasst" erläutert Ulrich. „Wir nutzen vereinfachte 3D-Modelle, um die Geometrien des Bootes festzulegen, die Einrichtung auf die strukturellen Komponenten abzustimmen und den Leinenlauf auf Winchen oder Blöcke zu kontrollieren." Außerdem werden in TopSolid beispielsweise die Volumenschwerpunkte der Doppelbodentanks berechnet, die Bestandteil der Bootsstruktur sind.

Detailliert wird die Bootskonstruktion am 2D-System. Zu diesem Zweck legen die Anwender Schnitte durch das 3D-Modell und übergeben die Geometrie an AutoCAD. „Der Übergang von 3D auf 2D ist mit TopSolid absolut unproblematisch, da das System direkt DWG-Daten ausgeben kann", sagt Ulrich. An den Schnitten werden unter Umständen noch konstruktive Veränderungen vorgenommen, so dass 3D-Modell und 2D-Zeichnungen nicht hundertprozentig übereinstimmen. Die Datenkonsistenz bis zum fertigen Boot ist allerdings ohnehin selten gegeben, weil in der Bauphase noch zahlreiche Änderungswünsche von Kunden oder Werft umgesetzt werden müssen, die nicht in das Datenmodell zurückfließen. Das ist im Bootsbau nicht anders als beim Hausbau.

Die wesentliche Arbeitsunterlage für den Bootsbau ist immer noch die 2D-Zeichnung, die sich in AutoCAD schneller erzeugen lässt, weil es für viele Zulieferteile bereits fertige Blöcke gibt die einfach in die Zeichnung übernommen werden können. Für den Einrichtungs- und Möbelbau liefert judel/vrolijk & co Fertigungszeichnungen bis zum Maßstab 1:1. Die 3D-Daten werden nur punktuell für die Bootsfertigung weiterverwendet, beispielsweise für das Fräsen der Kiele oder der Spanten, die dann beplankt werden und als Form für den Aufbau des Kunststoffrumpfes dienen. Davon profitieren allerdings in erster Linie die Bootsbauer, die diesen Nutzen inzwischen als selbstverständlich betrachten, wie Conradi bemerkt.

Kommunikation am 3D-Modell

Auch für die Kommunikation zwischen Yachtdesignern, Bootsbauern und Kunden spielen die 3D-Modelle eine ganz wichtige Rolle, wie Friedrich Judel betont. „Man kann beispielsweise den Maschinenraum in 3D visualisieren, wenn es mit der Werft Diskussionen gibt, wie die Teile positioniert sind. In 2D hat man das erst gesehen, wenn das Teil eingebaut wurde." Die Kunden können sich anhand des 3D-Modells leichter vorstellen zu können, wie ihr Boot aussehen wird, und frühzeitiger ihre Änderungswünsche äußern. Einer der Vorzüge von TopSolid ist, dass man von den 3D-Modellen sehr leicht Videosequenzen erzeugen kann, um dem Kunden zu zeigen, wie bestimmte Mechanismen funktionieren.

Zu den Kunden von Friedrich Judel (rechts) und Torsten Conradi gehören nicht nur die Rennställe des Segelsports, sondern auch vermögende Privatkunden und kommerzielle Werften. (Bild: Wendenburg)

Der Hauptvorteil des 3D-Einsatzes ist zweifellos, dass sich Bauteilkollisionen schon am digitalen Bootsmodell feststellen lassen. Dadurch hat sich die Zahl der Überschneidungsfehler drastisch reduziert. „Ich bin deshalb ein absoluter Befürworter des 3D-Einsatzes", sagt Conradi. Mit Hilfe der Kinematik-Funktionen von TopSolid simulieren die Anwender selbst komplexe, räumliche Bewegungsabläufe am Rechner, um Kollisionen zu vermeiden. „Ein Beispiel ist der Anker vorne am Bug, der beim Ausklappen um das Vorstag herumschwingen muss", sagt Ulrich. „Dafür hätten wir früher ein reales Modell bauen müssen."

Viel Zeit spart der 3D-Einsatz allerdings nicht, zumindest nicht bei Design und Konstruktion, weil gleichzeitig die eigenen Ansprüche gestiegen sind. „Die Zeit, die man gewinnt, steckt man in mehr Variationen und in eine detailliertere Untersuchung von Dingen, die man früher vielleicht nicht angeschaut hätte", sagt Conradi. „Wir probieren einfach mehr aus und optimieren mehr. Dadurch sind unsere Boote perfekter und treffen den Kundenwunsch noch besser."

Autor: Michael Wendenburg Quelle: BG:Concept