Rendering eines Frontlader-Traktors

Rendering eines Frontlader-Traktors. Bild: Engineering Center LTD, Russia

Von CAD zu Digital Prototying: Konstruktionssoftware ist mittlerweile kein reines Zeichenwerkzeug mehr, sondern bietet ausgereifte und umfassende Tools für die gesamte Produktentwicklung. Neue Technologien wie die Cloud bringen weitere Möglichkeiten und machen 3D-Konstruktion und Digital Prototyping einem immer breiteren Anwenderkreis zugänglich. Doch auch das Berufsbild „Konstrukteur“ wandelt sich, denn eine neue Generation ist auf dem Vormarsch.

Als Autodesk Anfang der 80er Jahre mit AutoCAD eine Zeichensoftware auf den Markt brachte, die nicht nur auf Großrechnern, sondern auch auf relativ leistungsschwachen aber weitaus günstigeren PCs genutzt werden konnte, erlebte CAD einen regelrechten Boom. Heute ist diese Technologie fester Bestandteil bei der Produktentwicklung. Doch mittlerweile bedeutet CAD weit mehr als nur 2D-Zeichnen oder 3D-Modellieren. Konstrukteure übernehmen vermehrt weitere Aufgaben, die bei der Produktentwicklung notwendig sind, und brauchen deshalb auch mehr Transparenz über die Gesamtzusammenhänge. Projekt- und Prozessmanagement, Konstruktionsevaluierung oder Datenverwaltung in standortübergreifenden Projektteams sind nur einige Schlagworte. Nicht mehr das Konstruktionswerkzeug an sich steht im Mittelpunkt, sondern welche Aufgaben bei der Produktentwicklung zu lösen sind. Daher etablierte sich Anfang des Jahrtausends für dieses „CAD plus“ in der Maschinenbaubranche und fertigenden Industrie der Begriff Digital Prototyping. Ein digitaler Prototyp ist nicht nur ein 3D-Modell. Er dient auch der automatisierten Konstruktionsberechnung, der Simulation, der Visualisierung oder der Dokumentation. Somit lassen sich die Korrekturschleifen mit physischen Prototypen reduzieren, die Effizienz steigern und die Kosten für die Produktentwicklung insgesamt senken.

Innovative Ideen für eine bessere Welt

Embrace – Wärmevorrichtung für Kleinkinder
Unterkühlung ist einer der Hauptgründe für die hohe Sterblichkeit von Frühchen und untergewichtigen Babys. Embrace hat eine Kleinkindwärmevorrichtung entwickelt, die nur einen Bruchteil bisheriger Lösungen kostet. Das Prinzip ist einfach: Das Baby steckt in einer Art Schlafsack mit einem Heizelement aus einem Speicherstoff, der 6 Stunden lang eine konstante Temperatur gewährleistet.
http://embraceglobal.org

Doch je komplexer die Prozesse und Modelle werden und je größer die Flut der zu verarbeitenden Daten ist, umso notwendiger ist es auch, entsprechende Infrastruktur bereitzustellen. Obwohl die Leistung einzelner Rechner stetig steigt – moderne Mobiltelefone haben mittlerweile mehr Power als die ersten Spaceshuttles – wird die Hardware immer wieder an ihre Grenzen stoßen. Die Cloud allerdings verbindet die Kapazität vieler Rechner. Das bietet große Chancen für Konstrukteure. Ohne den limitierenden Faktor Hardware können mehr rechenintensive Aufgaben, beispielsweise FEM-Simulationen oder Strömungs- und Wärmeanalysen, bereits während der Konzeptionsphase zur Erprobung der Entwürfe eingesetzt werden – und nicht erst zur Validierung nach dem Engineering.

Next Generation

Genauso wie sich die Technologien wandeln, ändern sich auch die Menschen, die diese nutzen. Langsam aber sicher findet in den Konstrukteursberufen ein Generationenwechsel statt. Nach 1980-Geborene, auch bekannt als Digital Natives oder Generation Y, haben andere Ansprüche an die Arbeitswelt als ihre älteren Kollegen. Dieser Ansicht sind auch 93 Prozent der befragten Unternehmen in einer Studie des Staufenbiel Instituts zur Entwicklung am Arbeitsmarkt für Absolventen . Work-Life-Balance, anspruchsvolle und abwechslungsreiche Aufgaben, flexible Arbeitszeiten sowie offene Kommunikation stehen demzufolge ganz oben auf der Wunschliste junger Arbeitnehmer. Diese sind zudem in einer digitalisierten und vernetzten Welt aufgewachsen. Cloud, soziale Netzwerke oder Gemeinschaftswerke wie Wikipedia – all das ist längst fester Bestandteil ihres Lebens. Doch warum sollte diese Digitalisierung an der Firmenpforte haltmachen? Warum sollte man die Vorteile vernetzten Wissens nicht auch bei der Konstruktion nutzen? Über kurz oder lang wird sich deshalb die Arbeitsweise der jungen Konstrukteure ändern.

Innovative Ideen für eine bessere Welt

JaipurKnee von D-Rev
Viele Menschen in Entwicklungsländern können sich keine modernen Beinprothesen leisten. Bestehende Low-Cost-Produkte schränken die Mobilität der Patienten ein, da sie nur einachsige Kniegelenke haben – ähnlich eines Türscharniers. Das JaipurKnee ist ein polymer-basiertes polyzentrisches Kniegelenk, das die natürliche Schrittbewegung imitiert und nur ein Zehntel eines herkömmlichen vergleichbaren Gelenks kostet. Die Organisation arbeitet mit Prothesenherstellern zusammen, die diese Kniegelenke in ihre Hilfsmittel einbauen.
http://www.d-rev.org/

Dabei wird Mobilität eine große Rolle spielen. Für nahezu jeden Lebensbereich gibt es mittlerweile eine App. Ideen und Gedanken können von unterwegs spontan in sozialen Netzwerken oder Blogs gepostet und der Welt mitgeteilt werden. Wem in der U-Bahn ein wichtiges To-do einfällt, kann dieses in seiner Notizen-App notieren und hat es über die Cloud auf seinem Rechner zuhause oder im Büro synchronisiert. Warum sollte das nicht auch bei Konstruktionen möglich sein? Wer hatte nicht schon einmal unterwegs die zündende Idee, konnte sich dann aber am Schreibtisch nicht mehr daran erinnern? Deshalb wird der mobile Einsatz von Lösungen rund um Digital Protoyping immer wichtiger werden. Hier kommt die Cloud und das Konzept Software-as-a-Service ins Spiel: Die Anwendung selbst läuft zentral im Netz und wird über einen Webbrowser, einen Frontend-Client oder eine App abgerufen. Die Arbeit mit mobilen Geräten oder von anderen Rechnern aus ist so problemlos möglich.

Werden auch die Daten zentral in der Cloud verwaltet, ist sichergestellt, dass sie auf jedem Gerät automatisch aktuell sind. Zusätzlich zum Mobilitätsaspekt lässt sich dadurch auch ein weiterer wichtiger Punkt realisieren. Daten müssen nicht nur auf mehreren Geräten eines einzelnen Users konsistent bleiben, sondern auch bei mehreren Anwendern, denn die Zusammenarbeit in standortübergreifenden und internationalen Teams wird immer wichtiger. Das ist an sich nichts neues, doch der Informationsaustausch wird in Zukunft immer schneller und direkter werden. Die junge Generation ist es gewohnt, sich in sozialen Netzwerken an Pinnwänden und in Chats zu unterhalten und zu organisieren. In den Arbeitsalltag übertragen bedeutet das: Wer sich in der Projektgruppe abstimmen will, schreibt keine Rundmail mehr oder wartet auf die nächste Teamsitzung, sondern nutzt Plattformen, über die er sich in Echtzeit mit anderen austauschen kann. Hier treffen sich die Erwartungen der neuen Generation mit den Bedürfnissen nach dem Schutz von Daten und Informationen der Unternehmen. Denn diese Anwendungen können auch als Zentralstelle oder „single source of truth“ dienen, in der Zugriffsrechte vergeben und Richtlinien festgelegt, durchgesetzt sowie nötigenfalls verändert werden können.

Innovative Ideen für eine bessere Welt

SOCCKET
SOCCKET ist ein Fußball, mit dem Energie erzeugt werden kann. Ein pendelähnlicher Mechanismus im Inneren sammelt während des Spielens die kinetische Energie und speichert diese. Durch 30 Minuten Fußballspielen lässt sich so eine LED-Lampe 3 Stunden lang betreiben.
http://unchartedplay.com/

Ein Teil dieser Punkte ist bereits möglich. So bietet Autodesk zusätzlich zu den klassischen Desktop-Anwendungen für Digital Prototyping vermehrt Cloud-basierte Lösungen an. Schon heute sind etwa Simulation, Produktlebenszyklus-Management (PLM) und seit kurzem durch Fusion 360 auch 3D-Modellierung in der Cloud möglich. Bekannt unter Autodesk 360 werden diese Angebote mittel- bis langfristig eine neue Arbeitsumgebung für Produktentwicklung in der Cloud bieten. Der Ausbau in diesem Bereich bedeutet jedoch nicht, dass die traditionellen Desktop-Lösungen vernachlässigt werden. Vielmehr verfolgt Autodesk ein hybrides Modell, das den Unternehmen die Entscheidung überlässt, ob sie ausschließlich Cloud- oder Desktoplösungen nutzen oder beides verbinden. Die Strategie lautet also „und“ statt „entweder oder“.

Konstrukteure bekommen Zuwachs

Ein weiterer Aspekt wird in Zukunft immer wichtiger werden: Konstruktionssoftware wird nicht mehr nur den „Großen“ vorbehalten bleiben, sondern für eine immer breitere Anwenderschaft erschwinglich sein. Diese Demokratisierung von Software ist für Autodesk seit jeher zentraler Bestandteil der Unternehmensstrategie. Das fing mit CAD-Software für PCs statt für Großrechner an und bedeutet heute, die Technologie auch Einzelkämpfern, Start-ups, Kleinstunternehmen oder Studenten zur Verfügung zu stellen – kurz: klugen Köpfen mit innovativen Ideen. Möglich wird das durch neue, bedarfsgerechte Mietmodelle sowie durch spezielle Angebote für Studenten oder Start-ups im Clean-Tech-Bereich.

Einige Beispiele dafür, was mit Autodesk-Software dadurch möglich wird, wurden auf der diesjährigen TEDGlobal Conference in Edinburgh ausgestellt (s. Kasten). Das Besondere daran: Keines der Projekte wurde in Forschungsgruppen von großen Unternehmen oder Regierungen realisiert. Sie stammen alle von Einzelpersonen oder kleinen Projektteams, die mit ihren Ideen die Welt verbessern wollen – auch das sind die Konstrukteure der Zukunft. Dabei setzten sie wie in großen Unternehmen auch beispielsweise 3D-Modellierung, Simulation oder Reality Capture ein, um ihre Ideen vor der Produktion zu validieren oder zu visualisieren. So simulierten die Entwickler des Biomasse-Kochers BioLite mit Autodesk Simulation CFD, Teil der Cloud-Lösung Simulation 360, die Wärmeverteilung innerhalb ihres Kochers. Dadurch konnten sie den Wirkungsgrad drastisch erhöhen.

Innovative Ideen für eine bessere Welt

BioLite
BioLite hat einen Biomasse-Kocher entwickelt, der im Vergleich zu einem offenen Feuer nur die Hälfte an Brennmaterial benötigt und dabei nur einen Bruchteil an Kohlenmonoxid und Rauch produziert. Die Restwärme wird in elektrische Energie umgewandelt, mit der LED-Lampen betrieben oder Mobiltelefone aufgeladen werden können. Den Kocher gibt es übrigens auch als Camping-Variante.
www.biolitestove.com

Doch auch Privatanwender werden immer mehr zu Konstrukteuren. Consumer Apps wie 123D machen den Einstieg in die Konstruktionswelt spielerisch leicht. Bekannt ist dieser Trend zur Eigenproduktion als „Maker Movement“ oder „Do-it-yourself-Bewegung“, die derzeit von Amerika nach Europa herüberschwappt. Das Prinzip ist einfach: Was auch immer für den Hausgebrauch benötigt wird, lässt sich selbst konstruieren und mit einem 3D-Drucker produzieren. Es lassen sich so Ideen und Erfindungen sofort realisieren und man kann Ersatz- und Zubehörteile bedarfsgerecht herstellen, zum Beispiel, wenn es beim Restaurieren von Oldtimern oder der Instandhaltung älterer Maschinen keine Ersatzteile mehr gibt. Auch selbst gestalteter Schmuck, Salatschüsseln, Schachfiguren oder Deko-Elemente lassen sich drucken – der Phantasie sind keine Grenzen gesetzt.

Das denken die Nachwuchskonstrukteure

Zwei Fragen an Thomas Etterlin (21), Goldmedaillengewinner der WorldSkills 2013 in der Disziplin CAD-Konstrukteur/-in, Schweiz

Thomas Etterlin (21)

Thomas Etterlin (21)

Was unterscheidet Alt und Jung bei der Konstruktion?
Wir jüngeren Konstrukteure sind ungehemmter, wenn es darum geht, im CAD- beziehungsweise IT-Bereich Neues zu entdecken und neue Arbeitsmethoden auszuprobieren. Bei den älteren Kollegen beobachte ich die Trial-and-Error-Methode seltener. Dafür haben diese viel Erfahrung und Know-how. Außerdem habe ich festgestellt, dass wir Jungen gleich mit der Konstruktion in der CAD-Anwendung beginnen, während meine älteren Kollegen vor der Arbeit am Rechner ihre Ideen gerne auch noch auf Papier skizzieren. Der direkte Einstieg in CAD ist zwar scheinbar schneller, aber manchmal bewährt sich auch die Methode „zuerst denken, dann konstruieren“.

Wie könnten sich Konstruktion und Produktentwicklung in Zukunft verändern?
CAD wird immer schneller werden und es wird weg von der ressourcenfressenden und teilweise unkontrollierbaren Parametrik in diesen Anwendungen gehen. Stattdessen könnte ich mir eine Art „historienbasierte Direktmodellierung“ vorstellen. Außerdem wird Simulation auch im Produktentwicklungsalltag genutzt werden, da die Konstrukteure mit den entsprechenden Anwendungen selbst arbeiten können und es keine eigenen Simulationsspezialisten mehr für einfache und mittelschwierige Analysen braucht. Außerdem werden rechenintensive Aufgaben, etwa für Simulation, regelmäßig in die Cloud ausgelagert werden. Auch 3D-Drucker und 3D-Scanner werden in Zukunft immer mehr eingesetzt werden. Wer weiß, vielleicht arbeiten wir in ferner Zukunft ja auch mit Hologrammen, die mit Gesten oder Gedanken gesteuert werden?

Zwei Fragen an Helena Heuser (22), Gruppenleiterin Chassis des Formula Student Teams Ecurie Aix der RWTH Aachen

Helena Heuser (22)

Helena Heuser (22)

Wie könnte die Arbeit eines Konstrukteurs in Zukunft aussehen?
Ich denke, dass in Zukunft das Konstruieren viel über Gestik- und Sprachsteuerung funktionieren wird. Die heute schon existierende Technologie der 3D-Maus, mit der man Konstruktionen „in die Hand nehmen“ kann, wird zu einem berührungslosen Konzept weiterentwickelt. Über Sprachsteuerung können geometrische Bedingungen quantifiziert werden.

Welche Wege haben Sie bei der Formula Student zum Austausch von Informationen, Daten oder Ideen genutzt?
Zur Zusammenarbeit im Team benutzen wir unser teameigenes Wiki, unsere PDM-Lösung Autodesk Vault Professional und Dropbox für Dokumente und Bilder. Zum schnellen Austausch untereinander verwenden wir neben Telefon, Skype, Teamviewer und Kurznachrichten auch Gruppenchats in WhatsApp.

Lesen Sie hierzu auch unseren Beitrag: ‘Gebrauchsanleitung Generation Y’

Wie könnten sich Konstruktion und Produktentwicklung in Zukunft verändern?
CAD wird immer schneller werden und es wird weg von der ressourcenfressenden und teilweise unkontrollierbaren Parametrik in diesen Anwendungen gehen. Stattdessen könnte ich mir eine Art „historienbasierte Direktmodellierung“ vorstellen. Außerdem wird Simulation auch im Produktentwicklungsalltag genutzt werden, da die Konstrukteure mit den entsprechenden Anwendungen selbst arbeiten können und es keine eigenen Simulationsspezialisten mehr für einfache und mittelschwierige Analysen braucht. Außerdem werden rechenintensive Aufgaben, etwa für Simulation, regelmäßig in die Cloud ausgelagert werden. Auch 3D-Drucker und 3D-Scanner werden in Zukunft immer mehr eingesetzt werden. Wer weiß, vielleicht arbeiten wir in ferner Zukunft ja auch mit Hologrammen, die mit Gesten oder Gedanken gesteuert werden?