Automatisierung - Fluch und Segen zugleich

Neue Softwareprogramme bieten immer mehr Automatisierungsmöglichkeiten. Damit wird einem die Arbeit erleichtert, denn gewisse Routineaufgaben erfolgen selbstständig. Doch was ist, wenn der Grad der Automatisierung zu hoch ist? Dann kippt das Ganze schnell und wird zu einer Bevormundung. Wir kennen dies alle von der Nutzung unseres Autos. Sobald wir nur ein paar Meter unangeschnallt im Schritttempo fahren, fängt der Bordcomputer an zu Piepen - und verlangt, dass wir uns anschnallen. Im CAD/CAM ist dies nicht anders. Zum Glück lässt Sie TopSolid selbst entscheiden, inwieweit Sie geleitet werden möchten und was Sie nach wie vor manuell erledigen wollen.

Was versteht man unter Automatisierung im CAD/CAM?

Nach DIN V 19233 ist Automatisierung definiert als „Das Ausrüsten einer Einrichtung, so dass sie ganz oder teilweise ohne Mitwirkung des Menschen bestimmungsgemäß arbeitet”.  Für den CAD/CAM-Bereich bedeutet dies, dass ich im Konstruktions- und Fertigungsprozess weniger mitwirken muss, indem Aufgaben direkt von der Software ohne Zutun des Bedieners übernommen werden, z.B. indem wiederkehrende, repetitive Abläufe automatisch durchgeführt werden.

 

Seit wann gibt es Automatisierung im CAD/CAM? 

CAD in seiner frühesten Form diente dazu, das Reißbrett zu ersetzen, also letztlich den Vorgang des Vorzeichnens, Radierens, Tuschezeichnens, Veränderns und Kopierens von Zeichnungen zu erleichtern und zu automatisieren. Man könnte sagen, die Möglichkeit, eine Linie am Bildschirm zu löschen, hat das Radiergummi automatisiert und damit überflüssig gemacht. Als weiterer Automatisierungsschritt wurden wiederkehrende Elemente auf einer Zeichnung als Makros, Symbole o.ä. abgelegt und in die nächste Zeichnung kopiert. Beim 3D-Konstruieren ist es ähnlich: wenn ein Programm die dreidimensionale Form eines Objektes kennt, kann es selbstständig die Zeichnungsansichten berechnen, anstatt dass ein Mensch diese Linie für Linie, Kreis für Kreis erstellen muß. Und so ging es mit Automatisierungen immer weiter.

 

Im CAM waren die ersten Schritte zur Automatisierung die Übernahme von CAD-Zeichnungen für die Programmierung. Danach folgten die Programmierung von kompletten Frässtrategien bis hin zur Methoden-Programmierung, bei welcher sich wiederholende Bearbeitungsschritte als ein CAM-Element in einer Bearbeitungs-Bibliothek abgelegt werden kann.

 

Wofür ist Automatisierung sinnvoll und ab wann wird es zuviel?

Dies empfindet jeder Nutzer unterschiedlich. Als die ersten elektrisch beheizten Backöfen aufkamen, beklagten sich die alten Bäcker, die “Jungen” würden nicht mehr lernen, mit Holzfeuerung eine Temperatur zu kontrollieren. Und wir alle haben es uns durch unsere Navis abgewöhnt, Karten zu lesen oder uns am Vorabend zu überlegen, wie wir irgendwo hinkommen. Ist das Navi oder der Elektrobackofen deswegen als Automatisierungsschritt sinnvoll? Oder ist es ein “Zuviel”? Oder vielleicht sogar zu wenig, weil wir unsere Autos ja immer noch selbst lenken?

 

Erfolgreiche Automatisierung lebt immer von zwei Dingen: 

 

  • - einem vernünftigen, nachvollziehbaren, klaren Prozess, den man automatisiert 
  • - und der Akzeptanz der involvierten Personen.

 

Stellen Sie sich vor, der Prozess in Ihrem Unternehmen sieht vor, dass von jedem Fertigungsteil eine 2D-Zeichnung hergestellt, bemaßt, dreimal ausgedruckt und in der Firma verteilt wird. Es entsteht also bei jedem dieser Schritte Aufwand, den man durch Automatisierung leicht reduzieren kann, indem man die Zeichnungen nach einer vorgegebenen Vorlage automatisch erstellt, das Schriftfeld automatisiert oder teil-automatisiert ausfüllt und das Ganze in einem Arbeitsgang druckt. Wenn Sie so den ursprünglichen Aufwand um die Hälfte reduzieren, wäre das bereits ein erster Erfolg. Doch besser wäre es, wenn Sie diese Zeichnungen gar nicht erst drucken, sondern allen Beteiligten digital Zugang zum 3D-Modell der Bauteile mit allen benötigten Informationen geben würden. Sie vereinfachen den Ausgangsprozess und schaffen ganz nebenbei eine leicht zu wartende, digitale Ablage. So haben Sie mittels PDM nicht nur darauf verzichtet einen umständlichen analogen Prozess zu automatisieren, sondern nutzen die integrierten Automatismen und Vorteile digitaler Datenhaltung.

 

Ein anderes Beispiel: stellen Sie sich einen Werkzeugbau vor, der Elektroden aus Kupfer oder Graphit weitgehend automatisiert herstellen will. Die Elektroden werden im CAD gezeichnet, vorklassifiziert und dann mit vorgegebenen Bearbeitungsmethoden automatisch programmiert, was ein vollwertig funktionierendes und überprüfbar betriebssicheres NC-Programm erzeugt. Die MitarbeiterInnen an der Maschine greifen aber trotzdem jedes Mal von Hand in die Programme ein, weil sie ein bestimmtes Detail gerne anders hätten, oder fahren mit reduziertem Vorschub, weil sie den automatisch erzeugten Programmen “nicht trauen”. Der volle Nutzen der Automatisierung geht in diesem Fall aufgrund unsachlicher Technik-Skepsis verloren.

 

Diese Beispiele verdeutlichen, dass am Anfang eines Automatisierungsprozesses der Arbeits- und Produktionsprozess als solches hinterfragt werden muss. Erst, wenn dieser Arbeitsprozess genau definiert und von allen Beteiligten als sinnvoll sowie vertrauenswürdig angesehen wird, sollte man sich darum kümmern, diesen Prozess zu automatisieren, sprich sich technisch so gut wie möglich unterstützen zu lassen.

 

Daher: reduzieren Sie die Komplexität Ihrer Prozesse auf das strikt Nötigste und binden Sie relevante MitarbeiterInnen frühzeitig ein! Machen Sie Ihren MitarbeiterInnen klar, was warum erreicht werden soll - und gehen Sie den Weg der Digitalisierung gemeinsam.



Wo stehen wir heute im CAD/CAM-Bereich?

Als gängiges IT-Instrument haben sich bereits gewisse CAD-Automatisierungslösungen im Alltag von Konstruktionsabteilungen etabliert, um manuelle und oftmals zeitraubende Tätigkeiten durch die Anwendung von simplen Regelwerken zu automatisieren. Dazu zählen beispielsweise die Stücklistengenerierung, die Artikelstammdatenpflege oder der Dokumentendruck in beliebigen Formaten. Alle für die Auftragsabwicklung notwendigen Produktionsdaten wie 3D-Einzelteile und Baugruppen, Fertigungs- und Montagezeichnungen oder Stücklisten können damit vollautomatisch generiert werden. Ein Konstrukteur kann sich dadurch wieder auf seine Kernaufgaben konzentrieren. 

 

TopSolid’Design vereinfacht das Konstruieren durch zahlreiche weitere Automatismen. Das fängt bei intelligenten Normteilbibliotheken mit integriertem Umgebungs- und Prozesswissen an, und geht über die assoziativen und sich permanent aktualisierenden Zeichnungen bis hin zu den automatisch erzeugten Stücklisten und Zeichnungsmappen. Diese Zeichnungsmappen erlauben es, einen Satz von Zeichnungen automatisch zu drucken respektive digital weiterzugeben - und bieten zeitgleich die Möglichkeit, alle Blechteile einer Baugruppe automatisch abzuwickeln und für die Fertigung vorzubereiten. Auch die speziellen Module TopSolid’Mold, TopSolid’Progress und TopSolid’Steel überzeugen durch weitere eingebaute, branchenspezifische Automatismen.

 

Darüber hinaus lassen sich Automatismen in TopSolid’Design über die Methodeneinstellungen firmenindividuell anlegen. So kann sich jeder Konstrukteur seinen Arbeitsprozess vereinfachen und häufige, sich wiederholende Abfolgen als Methode hinterlegen. Ein einfaches Beispiel ist es, wenn die Bearbeitung einer bestimmten Bauteilklasse als ein sogenannter Prozess extrahiert und dann auf andere Bauteile dieser Klasse mit anderer Geometrie angewendet werden kann, ohne dass der Programmierer sich den Prozess erneut überlegen oder Werkzeuge aussuchen muss.

 

Trend und Ausblick bei der Automatisierung im CAD/CAM

Die Softwareentwickler stehen vor der Schwierigkeit, dass sich manche Grundlagen der CAD/CAM-Arbeitsprozesse nicht immer in präzise Regeln fassen lassen, sondern von Dingen wie “Erfahrungswissen” und “Bauchgefühl” geprägt sind. Hier helfen die Fortschritte, welche in den letzten Jahren im Bereich des Machine Learning gemacht wurden. Wenn man es schafft, einem System anhand einer Vielzahl von Konstruktionsbeispielen solches “Erfahrungswissen” zu vermitteln, könnte dieses System darauf basierend dem Konstrukteur künftig nächste Konstruktionsschritte vorschlagen. Dies leisten bereits KI-basierte Assistenzsysteme in der Produktentwicklung, die zurzeit am Institut für Datenverarbeitung in der Konstruktion (DiK) entwickelt werden. Ganz ähnlich wie die Autokorrektur und die Vervollständigung bei Textprogrammen den Nutzer unterstützt, sollen CAD-Programme den nächsten Konstruktionsschritt vorhersagen können. Gerade sich wiederholende Aufgaben und Standard-Handgriffe werden so erleichtert.

 

Ein weiteres Forschungsfeld ist das Generative Konstruieren. Hier geht es darum, dass an ein bestimmtes Werkstück Randbedingungen hinsichtlich Stabilität, Funktion usw. formuliert werden und es dann eine Kostenfunktion gibt, die optimiert wird. Sie suchen also zum Beispiel das leichteste Bauteil, welches eine bestimmte Funktion erfüllt. Oder ein Bauteil mit den wenigsten Hinterschnitten, welches die erforderliche Stabilität aufweist. Gelöst wird dieses Problem iterativ, indem innerhalb der Randbedingungen z.B. Material hinzugefügt oder entfernt und das Verhalten der Kostenfunktion dabei betrachtet wird. Dies ist ein sehr rechenintensiver Prozess und häufig stellt sich dann die Frage nach der Herstellbarkeit der so generierten Geometrien. Einfacher gesagt: was hilft ein generativ optimiertes Teil, wenn es nicht zu vertretbaren Kosten produziert werden kann? Daraus folgt, dass insbesondere die Verfügbarkeit der Maschinen und Werkzeuge weitere wichtige Kriterien sind, welche die generative Konstruktion beeinflussen. Denn nicht alle maschinell generierten Konstruktionen können mit heutigen Technologien zu vertretbaren Kosten gefertigt werden. Daher ist ein integriertes CAD/CAM mit eingebauter Simulationsumgebung künftig mehr denn je ein Vorteil. Nur darin lassen sich die vorgeschlagenen CAD-Konstruktionen schnell und einfach simulieren und auf ihre Umsetzbarkeit im eigenen Unternehmen überprüfen. 

 

Das automatisierte Programmieren könnte künftig sogar soweit gehen, dass aus CAD-Daten CAM Programme oder WOP Programme erzeugt werden können. Es ist denkbar, dass ein Machine-Learning-Algorithmus aus einer angemessen großen Anzahl von Beispielen lernt, welche Methoden bei welchen Teilen zum Einsatz kommen können - und darauf basierend intelligent optimierte Vorschläge macht. Voraussetzung dafür ist jedoch eine große Datenmenge von Konstruktions- und NC-Daten, anhand deren eine Software lernen kann. Doch solche Daten werden bislang typischerweise nicht einmal unternehmensintern, geschweige denn unternehmensübergreifend gesammelt.

 

Wie können Sie Ihre Konstruktion oder Fertigung mit geringem
Aufwand automatisieren?

 

Prüfen Sie zunächst, inwieweit Ihr bestehendes System firmeninterne Prozesse beispielsweise mittels Nutzung intelligenter Normteilbibliotheken, dem Anlegen firmenspezifischer Prozess-Bibliotheken oder einer Skriptingfähigkeit automatisieren lässt. Damit scheiden viele “kleine” CAD- und CAM-Systeme von vornherein aus, denn Sie möchten ja kein „altes digitales Reißbrett gegen ein neues digitales Reißbrett tauschen”. Stellen Sie sicher, dass es sich bei Ihrem System um ein nahtlos integriertes CAD/CAM “aus einer Hand” handelt: für eine erfolgreiche, durchgängige Automatisierung gilt es, Daten-Umwandlungsverluste an etwaigen Schnittstellen zu vermeiden. Nur bei einem integrierten System kommt der gesamte Konstruktionsbaum mit und garantiert höchste Daten-Integrität zwischen Konstruktion und Fertigung. Vermeiden Sie daher so weit wie möglich verlustbehaftete Datenformate wie DXF oder STEP. 

 

Bis zu welchem Grad ist Automatisierung sinnvoll - und ab wann kippt das Verhältnis um?

 

Ein automatisiertes System versagt dann, wenn es die Wünsche und Bedürfnisse der Anwender übergeht. Daher kann ein automatisiertes CAD/CAM nur Vorschläge für die nächsten Schritte der Konstruktion und Fertigung machen, diese aber nicht vorschreiben. Individuelle Wege müssen nach wie vor möglich sein. Das System soll unterstützen und die Konstruktion und Fertigung vereinfachen, aber nicht bestimmen. TopSolid geht diesen Weg mit seinen Kunden. Erfahren Sie mehr!