Interdisziplinäre Entwicklung durch Model Based Systems Engineering

Vom digitalen zum funktionalen Prototyp

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Mit der in den Prozess integrierten Systemmodellierung stellt das Model Based Systems Engineering (MBSE) in Catia V6 die nächste Stufe in der Entwicklungstechnologie dar. Die Validierung kann in Zukunft mithilfe von digitalen Modellen virtuell und völlig realistisch durchgeführt werden. Die Vorteile dieses ganzheitlichen Ansatzes liegen auf der Hand: kürzere Zyklen und zeitliche Einsparungen im Entwicklungsprozess.

Der Autor: Achim Simon, Business Development, Transcat PLM, Karlsruhe

Selbst in umfangreichen und komplexen Produkten wird heute oft noch jede Funktion für sich simuliert, validiert und getestet, teilweise auch heute noch mit Praxistests auf Prüfständen oder Ähnlichem, was den Bau eines Prototyps voraussetzt. Doch mit der Ausrichtung an individuellen Kundenanforderungen erhöht sich auch die Komplexität. Die Fokussierung auf die Einzeldisziplinen genügt dem ganzheitlichen Qualitätsanspruch an ein Produkt dann nicht mehr. Der Zeit- und Kostenaufwand zur Systemvalidierung wird einfach zu hoch. Darum wird durch Systems Engineering ein durchgängiger disziplinübergreifender Ansatz verfolgt. Ein Teil davon ist das Model Based Systems Engineering, das ein Systemmodell in den Mittelpunkt der Entwicklung multidisziplinärer Systeme stellt. Bei diesem MBSE werden alle Abhängigkeiten zwischen den Subsystemen und Bereichen realistisch simuliert. Das Ziel dieser Vorgehensweise ist die Analyse und Simulation von Varianten und aus diesen Erkenntnissen abgeleitet, die Auswahl der besten Konstellationen bereits in der Konzeptphase sowie die folgende virtuelle Validierung und Verifikation.
Verschiedene Disziplinen in einem einzigen Prozess
Innerhalb von CATIA V6 Systems können isolierte Einzeldisziplinen in einen solchen ganzheitlichen Kontext gesetzt werden. Für die beteiligten Entwickler reduziert das die Vielfalt der einzelnen Software-Applikationen und führt so zur Reduzierung der Systemkomplexität. Vor allem aber erlaubt das Rückschlüsse auf interdisziplinäre Abhängigkeiten und das dynamische Verhalten des Gesamtsystems. Und da der virtuelle Teststand eine höhere Testdichte ermöglicht, können Entwicklungskonzepte somit frühzeitig beurteilt und abgesichert werden.
Über Enovia V6 erfolgt die Kommunikation mit Versionierung, Projektierung, Anforderungsmanagement sowie der Verknüpfung von Anforderungen, um den Erfüllungsgrad zu überprüfen. Als Modellierungssprache für die Systemsimulation dient dabei die Open Source Sprache Modelica. Mit Hilfe von Modelica wird das jeweilige Verhalten von Komponenten in Objekte übersetzt, die von einem Simulationstool gelöst werden. In diesem Zuge können Bibliotheken mit Szenarien angelegt werden, sodass die einzelnen Modelle für eine weitere Simulation wiederverwendet werden können. Die Schnittstelle zu anderen Simulationswerkzeugen bildet sie das Functional Mock-Up Interface (FMI). Diese Öffnung des Systems schafft auch neue Möglichkeiten, wie Innovationen von Zulieferern für die Gesamtentwicklung genutzt werden können.
Realistische Tests im digitalen Raum
Für das Projekt EDAG Light Car, ein Elektroauto, galt es, ein optimiertes Batteriemodul hinsichtlich Leistung und Gewicht für eine möglichst große Reichweite zu entwickeln. In den Tests wurden aber auch Aspekte wie Lebensdauer, Ladeverhalten, Thermomanagement berücksichtigt. Beim anschließenden sogenannten Packaging wurden die möglichen räumlichen Anordnungen der Bauteile im Fahrzeug untersucht. Hierzu wurden die Datenblätter der in Frage kommenden Batteriezellen mitsamt ihrer Kühlkörper in der Datenbank hinterlegt. Mit dem Simulationsmodell in Catia Systems wurde das dynamische Verhalten der Batteriemodule untersucht. Die Batterietypen mit sämtlichen Daten wurden auf der Basis von Modelica modelliert. Damit konnten die Batterietypen als Varianten des Modells für realistische Simulationen verwendet werden. So konnte festgestellt werden, welche Variante die beste ist, bezogen auf die Leistung, den Bauraum und die Anforderungen.
Für einen Baumaschinenhersteller wurde im Rahmen eines Testprojekts die Konstruktion eines neuen Baggerarms simuliert. Dazu wurde der komplette Antriebsstrang digital erstellt, inklusive Dieselmotor, Hydraulik, Mechanik und Logik. Die virtuellen Tests untersuchten das Zusammenwirken des Systems mit den geometrischen Gegebenheiten und einer Festigkeitsanalyse mit der veränderlichen Last am Baggerarm.
Wie die meisten Prozessoptimierungen bedarf auch dieses multidisziplinäre Systems Engineering einer fundierten Vorbereitung mit dem Aufbau der entsprechenden Infrastruktur, wie dem Fundus an virtuellen Systemmodellen. Und es bedarf eines gewissen Change Managements, denn die Disziplinen müssen vernetzt und Vertrauen geschaffen werden, um Erfahrungen und Simulationsergebnisse miteinander abgleichen zu können.
Findet der Ansatz von MBSE konsequente Anwendung bringt er Vorteile auf verschiedenen Ebenen. Im Management möchte man von der Innovationskraft der Zulieferbranche profitieren. In der Entwicklungsleitung wird man von externen Subsystemen beeinflusst, die man so besser beherrschen kann.
In der Qualitätssicherung kann eine schwankende Produktqualität aufgrund alternativer Komponenten durch einen vorherigen digitalen Testlauf vermieden sowie der Ramp-Up zum Serienanlauf verkürzt werden. Ein Aspekt, der sich ebenso auf den Einkauf auswirken kann, der auf regionale Komponentenlieferanten angewiesen ist. I

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