Sichere Medizintechnik durch CFD

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4/14 Mai/Juni
Eine Publikation der WIN-Verlag GmbH & Co. KG
www.digital-engineering-magazin.de
D: Euro 14,40 CH: SFr 24,50 A: Euro 14,90
ISSN 1618-002X
Innovative Lösungen für Konstrukteure, Entwickler und Ingenieure
Hintergrundfoto: Fotolia.com
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Strömungssimulation mit STAR- CCM+
Sichere Medizintechnik
durch CFD-Simulation
Superrechner
Antriebstechnik
Automobilindustrie
Expertentalk: Trends im
High Performance Computing
Mechatronische Integration bringt
Intelligenz in den Antrieb
Schnellere Produktentwicklung
durch virtuelle Prototypen
| EDITORIAL | 003
Liebe Leser,
„Alles neu macht der Mai“ – so heißt ein
1818 verfasstes Gedicht von Hermann
Adam von Kamp, das zum Kulturgut der
deutschen Sprache gehört. Vielleicht hat
auch der oberste Siemensianer Joe Kaeser
daran gedacht, als er Anfang Mai in Berlin auf der Halbjahrespressekonferenz seine
„Vision 2020“ der gespannten Öffentlichkeit präsentierte. Nun ist es also klar:
Siemens baut wieder einmal den Konzern
um. Kaum neun Monate im Amt als neuer
Vorstandsvorsitzender wirbelt er die von
seinem Vorgänger Peter Löscher geschaffene Konzernstruktur spürbar durcheinander.
Der Konzern soll sich künftig auf die drei
Felder „Elektrifizierung“, „Automatisierung“
und „Digitalisierung“ konzentrieren. Kaeser
schafft dazu die vier bisherigen Großsektoren ab und gliedert das Unternehmen mit
seinen rund 360.000 Mitarbeitern künftig
in neun statt bisher 16 Divisionen. Damit
möchte der Siemens-Chef das Unternehmen straffer führen und die Hierarchien
abflachen. Mit der Bündelung der Divisionen und der Auflösung der Sektoren sollen
Bürokratie abgebaut, Kosten gesenkt und
Entscheidungen innerhalb des Unternehmens beschleunigt werden.
Besonderes Augenmerk legt Kaeser neben der Energieerzeugung auf das zukunftsträchtige Geschäft mit Digitalisierungslösungen für Produktionsfirmen, das
in der neuen Division „Digital Factory“ geführt wird. Mit den Siemens-Lösungen sollen Unternehmen ihre Produkte schneller
und effizienter entwickeln. Den datengetriebenen Services, Software- und IT-Lösungen
kommt damit eine entscheidende Bedeutung zu, da sie einen erheblichen Einfluss
auf alle künftigen Wachstumsfelder von
Siemens haben. Das Segment soll bis zu 20
Prozent operative Rendite abwerfen und
die bislang ertragreiche Medizintechnik sogar noch überflügeln. In den anderen Divisionen hat sich Siemens Renditeziele zwischen fünf und ebenfalls sportlichen 20
Prozent vorgenommen. Ein neues Gesamt
renditeziel für den Konzern präsentierte Kaeser allerdings nicht. Sein Vorgänger war
bekanntermaßen am Ziel von zwölf Prozent gescheitert und musste gehen. Bleibt
zu hoffen, dass der Konzernumbau dieses
Mal reibungsloser über die Bühne geht und
die Mitarbeiter den Umbau nicht durch einen über den bereits Ende 2013 bereits beschlossenen Stellenabbau hinaus bezahlen müssen. Siemens muss nämlich bald
wieder in ruhigeres Fahrwasser gelangen.
Schließlich erfordert der harte internationale Wettbewerb, der auf den Geschäftsfeldern von Siemens im vollem Gange ist, alle
Kapazitäten des Unternehmens.
Rainer Trummer
Chefredakteur
Rainer Trummer, Chefredakteur
PDM. PLM.
CIM DATABASE ist CONTACTs offene PDM/PLM-Plattform für die kollaborative
Produktentwicklung. Die Plattform unterstützt das Produktdatenmanagement
(PDM) und das Product Lifecycle Management (PLM) von der Portfolioplanung
und Konzeptphase bis zur Synchronisation mit den Logistikprozessen. Als
Turnkey-Lösung ausgelegt, ermöglicht sie gleichzeitig hochgradig skalierbare
und maßgeschneiderte Lösungen durch hervorragende Anpassbarkeit und
das weitreichende Anwendungsportfolio.
www.contact-software.com
004 | INHALT |
Bild: MSC Software
AKTUELL
Wirtschaftsticker
Macher und Märkte
6
Trends und Technologie
Neue Produkte und Verfahren
8
Veranstaltungskalender
Was, wann, wo?
12
Messeschaufenster
ISC, Automatica und Sensor+Test
14
SPECIAL: MEDIZINTECHNIK
Titelstory: Sichere Dialyse durch CFD
Strömungssimulation optimiert den Blutfluss
bei der Behandlung von Nierenkranken
16
Virtuelle Auslegung von OP-Tischen
Schaerer Medical setzt auf Systemsimulation bei
der Entwicklung von medizinischem Gerät 20
Spritzen handhaben
Die hohen Standards der Pharmaindustrie wirken
sich auch auf das Handling von Spritzen aus 22
SENSORIK & BILDVERARBEITUNG
Codelesen auf spiegelnder Fläche
Kamerabasierter Codeleser mit integrierter Beleuchtung und Polarisationsfilter
24
Bild: FIAS
Überwachungs- contra Industrie-Kameras
Basler bietet beide und erklärt die Unterschiede beim Einsatz in der Industrie
26
Das Gespann Simulation und Supercomputing gewinnt in der Industrie zunehmend an Bedeutung. Ab Seite
41 befragen wir HPC-Experten nach den aktuellen Trends und geben ab Seite 44 einen Ausblick auf die anstehende Supercomputing-Konferenz in Leipzig. Weiterhin zeigen wir, wie man die volle Leistung aus den
High-Performance-Systemen herausholt (Seite 46 und 48), wie virtuelle Crashtests in der Automobilindustrie funktionieren (Seite 54) und dass bereits eine einzelne moderne Grafikkarte zu HPC-Leistungen fähig ist
(Seite 50).
Sensorhersteller unter Druck
Drucksensoren für kritische Anwendungen
müssen konform zu zahlreichen Normen sein 28
Sensoren aus dem Internet
E-Commerce kommt in der Automation an –
wie man beim Kauf von Sensoren sparen kann 30
Winkelsensor im Wellenkraftwerk
Einfach, robust, kontaktlos – gute Eigenschaften
für viele Anwendungen – ein gutes Beispiel 32
PRODUCT LIFECYCLE MANAGEMENT
Design, Analyse und Datenmanagement
Hersteller von Flugzeugverglasungen setzt
auf durchgängige Lösung
34
Bild: Siemens AG und Schoen + Sandt Machinery
<
DIGITAL ENGINEERING Magazin 04-2014
Automatica und Sensor+Test im Blick (Seite14
und 15), fokussieren wir in dieser Ausgabe sowohl auf die Sensorik & Bildverarbeitung als
auch auf die Antriebstechnik. Beispielsweise auf
das komplexe Zusammenspiel von bis zu 96 Achsen, die in einer Textilmaschine die Fadenspannung der Musterfäden regeln (Seite 58) oder auf
einen kamerabasierten Codeleser, der mittels
Polarisationsfilter auch Codes auf spiegelnden
Oberflächen sicher verarbeiten kann (Seite 24).
Nicht zu vergessen die Lineartechnik, die den
Gelddruck effizienter macht – Seite 60.
Simultaneous Engineering
Integrierte Workflows – Konstruktion und
Simulation rücken zusammen
36
SIMULATION & VISUALISIERUNG
Simulationsprojekte im Griff
Anbieter von CFD-Software unterstützt bei
der Durchführung von Simulationsprojekten 37
Mit realen Geometrien arbeiten
Reverse Engineering sorgt dafür, dass die
Modelle der Fertigungsrealität entsprechen 38
| INHALT | 005
HARDWARE & PERIPHERIE
ANTRIEBSTECHNIK
High Performance Computing im Fokus
Wir fragen Experten aus der Branche
nach den aktuellen Trends im HPC
41
Mechatronische Antriebe
Perfekt auf die Aufgabe zugeschnittene
Antriebspakete erreichen hohe Effizienzwerte56
Die Supercomputing-Konferenz ISC
Im Juni treffen sich die HPC-Experten in Leipzig
– was der Ingenieur dort zu erwarten hat
44
Multi-Achs-Systeme in Textilmaschinen
Tausende Fäden ergeben Spitzenstoff – die
komplexe Regelung von 96 Musterachsen 58
High-Performance freisetzen
Wie man den Flaschenhals Speicher eliminiert
und Remote-Post-Processing nutzt
46
Motion Control für den Gelddruck
Mit Linear- und Servotechnik einfacher zu Sieben
für den Druck von Sicherheitsdokumenten 60
HPC-Systeme tunen
Das Zusammenspiel von Simulationssoftware
und Supercomputern lässt sich optimieren 48
Workstation-Grafikkarte mit HPC-Potenzial
AMD stellt neues Flagschiff vor – Leistung gegenüber Vorgänger mehr als verdoppelt
50
HPC-Cloud von der Stange
Softwarehersteller Altair liefert vorkonfigurierte
Private-Cloud-Systeme für die Industrie
51
CAD & DESIGN
Austausch zwischen Daimler und Partner
Das Tool, mit dem der Konzern 3D-Daten
in JT und PLMXML wandelt
62
CAD-integrierte Simulation
Integrierte Simulationstools helfen
dem Konstrukteur bei Entscheidungen
64
BRANCHE: AUTOMOTIVE
EDITORIAL3
Auf dass der Ladestecker passt
Wohl das trivialste Teil der Zukunftsvision
– weit gefehlt: Viel Standardisierung ist nötig 52
MARKTPLATZ63
Crashtest-Dummies virtuell
Der Standard zur Absicherung von Prototypen
– wie die virtuellen Crashtests funktionieren 54
IMPRESSUM66
VORSCHAU66
Titelthemen
LASERTRIANGULATIONSSENSOREN
 Größtes Sensorprogramm weltweit
 Messbereiche von 2 bis 1000 mm
 Modelle mit integriertem Controller
REDAKTIONELL ERWÄHNTE FIRMEN UND INSTITIONEN
>
Die Simulation des Blutflusses bei der Dialyse (Seite 16), die virtuelle Entwicklung
eines Operationstisches (Seite 20) oder eine
Handling-Anlage für empfindliche Injektionsspritzen – Seite 22 – die Medizintechnik ist
für viele Ingenieure ein interessantes Aufgabengebiet, dessen wir uns in dieser Ausgabe
im Rahmen eines entsprechenden Specials
annehmen.
 Echtzeit-Anpassung an wechselnde
Oberflächen (RTSC)
NEU High-End Serie optoNCDT 2300
 Hochdynamischer Lasersensor der
50 kHz Klasse
NEU optoNCDT 1700BL
 Blau-violette Laserdiode (405 nm)
für höhere Genauigkeit auf glühende
Metalle und organische Stoffe
Bild: CD-adapco
Altair [S. 41, 51], Althen [S. 8], AMA Service [S. 15], AMD [S. 50], Autosen [S. 30], Basler [S. 26], Bull [S. 48],
CD-adapco [S. 16], Core Technologie [S. 62], Daimler [S. 62], Dassault Systèmes [S. 6,34], Deutsche Messe
[S. 15], Dunkermotoren [S. 8], Dynamore [S. 54], Ente Vasco de la Energia [S. 32], Forschungszentrum Jülich
[S. 7], Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg [S. 38], Fujitsu [S. 42], Georg-Simon-Ohm-Hochschule Nürnberg [S. 38], Hewlet Packard [S. 8], IBM [S. 42], Igus [S. 10], Imperial College London [S. 16],
ISD Group [S. 64], ITI [S. 20], JVL [S. 58], Karl Mayer Textilmaschinenfabrik [S. 58], Lenze [S. 56], Maplesoft
[S. 10], Mecaplex [S. 34], Messe München [S. 14], Missler Software [S. 8], Mitsubishi [S. 22], Novotechnik
[S. 32], Nvidia [S. 42], Pepperl+Fuchs [S. 24], Phoenix Contact [S. 52], Prometeus [S. 14, 44], PTC [S. 7],
Robotronic [S. 22], Schaerer Medical [S. 20], Schoen + Sandt [S. 60], Science + Computing [S. 43, 48], Sensor-Technik Wiedemann [S. 28], Siemens Industry [S. 60], Strobl [S. 6], Topsolid [S. 8], Transcat PLM [S. 6, 36],
Transtec [S. 43], Transtec [S. 46], Wittenstein [S. 7], WSCAD [S. 10].
 Von Low-Cost Einstiegsmodellen bis zur
hochpräzisen Spitzenklasse
SENSOR+TEST / Nürnberg
03.06.2014 - 05.06.2014
Halle 12 / Stand 337
www.micro-epsilon.de/opto
MICRO-EPSILON | 94496 Ortenburg
Tel. +49 85 42/168-0 | info@micro-epsilon.de
006 | AKTUELL | Macher & Märkte
A U T O M AT I S I E R U N G S T R E F F 2 0 1 4
TITELBILD: CD-ADAPCO
CD-adapco analysiert und untersucht
die stetig wachsenden Anforderungen, die durch einen immer schnelleren Forschungs- und Entwicklungsprozess entstehen, im Hinblick auf
Simulationsgenauigkeit sowie Benutzerfreundlichkeit. Herausforderungen, Anwendungen und Lösungen
werden analysiert, indem man erstklassige Simulationssoftware benutzt
und dabei traditionelle wie auch immer mehr unübliche Simulationsprobleme untersucht.
Als weltweit größter unabhängiger
CFD-fokussierter Anbieter im Bereich Strömungssimulation, Support
und Services hat CD-adapco eine
über dreißigjährige Erfahrung bei
der Bereitstellung von leistungsfähiger Software zur Berechnung
von Strömungsphänomenen. Der
Tätigkeitsbereich des Unternehmens
geht dabei weit über die einfache
Softwareentwicklung hinaus und umfasst eine große Bandbreite an CAEDienstleistungen für den gesamten
CFD- und FEA-Bereich.
CD-adapco
Nordostpark 3-5
90411 Nürnberg
Tel.: +49 911 946433
info@cd-adapco.com
www.cd-adapco.com
Der 11. Automatisierungstreff fand vom 25. bis 27.
März in diesem Jahr wieder in der Kongresshalle in
Böblingen statt und zeigte, wie sich Produktionseffizienz durch moderne Automatisierungssysteme und Industrial-IT-Lösungen erhöhen lässt.
52 Anwender-Workshops rund um die Themen
IT und Automatisierung unterstrichen den Kongresscharakter der Veranstaltung. „Die Teilnehmer
anzahl an den einzelnen Workshops hat sich im
Vergleich zum Vorjahr um 68 Prozent gesteigert“,
berichtet Sybille Strobl, Geschäftsführerin und Namensgeber des Veranstalters Strobl. Allein zu den
beiden Workshops vom MES D.A.CH-Verband kamen über 100 Besucher.
Drei Trend-Sessions ersetzten in diesem Jahr
die bisherigen Foren. Unter den Titeln „Der lange
Weg von CIM über PLM – Stufe 1 zu Industrie 4.0
Transcat kann
nun eigene
Entwicklungen als
V6-Produkte
vermarkten.
Bild: Transcat
T R A N S C AT U N D D A S S A U LT
Partnerschaft
ausgebaut
Transcat PLM und Dassault Systèmes haben ein
Partnership-Agreement für die V6-Plattform von
Dassault vereinbart. Transcat PLM ist damit offizieller Dassault-V6-Software-Entwicklungspartner
und berechtigt, das eigene Lösungsportfolio auf
Bild: Strobl
Fokus auf
Produktionseffizienz
und Lean PLM“, „Sicherheit bedeutet nicht gleich
Sicherheit“ und „Energiebevorratung und Orchestrierung“ lockten sie zwischen 28 und 62 Teilnehmer an.
Die Workshop-Veranstalter lobten auch in diesem Jahr die hohe Qualität der Fachbesucher.
Demgegenüber informierten sich weniger Besucher in der Fachausstellung, laut Veranstalter liege
dies jedoch daran, dass auf der „Wissensbörse“ Automatisierungstreff immer mehr Teilnehmer die
Workshops und Trend-Sessions für eine gezielte
Informationsbeschaffung besuchen. „Allerdings
bestätigten uns Aussteller, dass sich die Gespräche mit den Besuchern der kleinen Fachausstellung als sehr hochwertig bezeichnen lassen“, stellt
S. Strobl heraus. Der nächste Automatisierungstreff findet vom 24. bis 26. März 2015 statt.
der V6-Plattform zu erweitern sowie als V6-Produkte zu vermarkten.
Transcat PLM und Dassault sind aus Tradition
eng verbunden, entsprechend weitsichtig ist auch
der Vertrag über diese Entwicklungspartnerschaft
angelegt. Er gilt für die V6-Plattform genauso wie
für die nächste Generation 3DExperience.
„Die V6-Partnerschaft gibt uns nun die Möglichkeit, unser Innovationspotenzial in weitere
zukunftsfähige Lösungen einzubringen“, sagt Dr.
Paolo Santarelli, Director Software Division bei
Transcat PLM. Im Fokus steht dabei in erster Linie
die Entwicklung von Software-Produkten in Catia,
Enovia und Simulia.
Als eine der ersten Transcat-Software-Lösungen wird Cava als offizielles V6-Produkt vermarktet. Cava ist ein speziell für die Automobilindustrie
entwickeltes Catia-integriertes Software-System,
das die Gesetzeskonformität der Fahrzeugarchitektur von der Konstruktionsphase über die gesamte Prozesskette sicherstellt.
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Macher & Märkte | AKTUELL | 007
PTC
Umsatzwachstum
in Europa und Amerika
PTC hat seine Zahlen für das
zweite Geschäftsquartal 2014
veröffentlicht (abgeschlossen
am 29. März). Der SoftwareAnbieter verbucht ein solides
Quartal mit einem Umsatz von
329 Millionen US-Dollar. Dies
entspricht einem Wachstum
von fünf Prozent (alle Angaben
auf Basis von konstanten Wechselkursen).
Geografisch betrachtet, verzeichnete PTC gegenüber 2013
ein Umsatzwachstum von 14
Prozent in Amerika sowie 6 Pro-
zent in Europa. In Japan sowie
dem Raum Asien-Pazifik war
dagegen ein Umsatzrückgang
von 10 beziehungsweise 6 Prozent zu verzeichnen.
Für das dritte Quartal 2014
strebt PTC einen Umsatz zwischen 325 und 340 Millionen
US-Dollar mit einem Gewinn
je Aktie zwischen 0,48 und 0,52
US-Dollar an.
Für das gesamte Geschäftsjahr 2014 rechnet PTC mit einem Jahreswachstum zwischen drei und vier Prozent.
Im zweiten Geschäftsquartal konnten
wir 35 größere Geschäftsabschlüsse,
beispielsweise mit Kunden wie Caleffi,
Daktronics, Diebold, Gildan Activewear, Kuhn,
Nissan, TRW und der NASA tätigen.“
JAMES E. HEPPELMANN, CEO UND PRÄSIDENT BEI PTC.
Gemeinsam mit dem Team möchte ich auf
der Arbeit der vergangenen Jahre aufbauen – mit
besonderem Augenmerk auf die Herausforderungen von Industrie 4.0 und auch mit Blick auf das
weitere globale Wachstum“,
DR.-ING. BERND SCHIMPF, GESCHÄFTSFÜHRER VON
Bild: Wittenstein
WITTENSTEIN ALPHA.
WITTENSTEIN ALPHA
Schimpf neuer Geschäftsführer
Seit Anfang April hat Dr.-Ing.
Bernd Schimpf, Jahrgang 1962,
das Ruder der AntriebstechnikSparte Wittenstein Alpha übernommen. Er folgt damit auf
Dieter Derr und Johannes Arnold, die aus dem Unternehmen ausgeschieden sind.
Seine Karriere bei Wittenstein begann Schimpf im Mai
2001 als Leiter der Konstruktion und später als technischer
Leiter bei Wittenstein Bastian
in Fellbach bei Stuttgart. Im
Januar 2008 wechselte er von
dort in die Unternehmenszentrale nach Igersheim-Harthau-
sen und verantwortete den
Generierungsprozess der gesamten Unternehmensgruppe.
Zusätzlich zu den Aufgaben
als Leiter des Generierungsprozesses führte Schimpf seit
2010 die Geschäfte von Wittenstein Motion Control. Seit
August 2012 hatte er als Bereichsvorstand Mechatronik
die
Gesamtverantwortung
für die drei mechatronischen
Unternehmensbereiche Wittenstein Motion Control, Wittenstein Cyber Motor und
Wittenstein Electronics übernommen.
FORSCHUNGSZENTRUM JÜLICH
Neue Technologien
für das Supercomputing
Das Forschungszentrum Jülich beteiligt sich an der Open
Power-Foundation, die neue Server-, Netzwerk-, Speicher und
Beschleunigertechnologien im
Bereich des Supercomputings
schaffen will.
Das Forschungszentrum will
speziell die Entwicklung von
neuen Supercomputerarchitekturen, basierend auf IBM-PowerProzessoren und Grafikprozessoren voranbringen. Experten des
Jülich-Supercomputing-Centre
bringen ihre Expertise aus dem
Nvidia-Application-Lab und dem
Exascale-Innovation-Centre ein,
in denen Technologien für die
nächste Generation von Superrechnern, die Exascale-Klasse,
entwickelt werden.
„Wir rechnen damit, dass sich
durch OpenPower die Auswahl
an verfügbaren Lösungen und
Produkten für das Supercomputing deutlich erweitern wird, was
für uns als eines der größten Rechenzentren Europas von entscheidender Bedeutung ist“, sagt
Prof. Thomas Lippert, Direktor
des Jülich Supercomputing Centre (JSC).
Weitere Mitglieder der OpenPower-Foundation sind IBM,
Google,
Mellanox,
Nvidia,
Samsung, Tyan, Servergy, Altera,
Fusion-IO , SK Hynix, Micron und
Xilinx.
Das Jülich Supercomputing Centre
betreibt mit Juqueen einen der zehn
schnellsten Rechner der Welt.
Bild: Forschungszentrum Jülich
Prototypen
Produkt Mock-ups
Konzeptmodelle
Funktionsmuster
Werkzeugbau
Formenbau
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Vom Einsteiger- bis High-End-Modell –
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weitere Informationen unter
008 | AKTUELL | Trends & Technologien
A LT H E N
Optionen machen
Workstations flott
Das EKG für die Maschine
Mit Remote-Graphics-Software
in Version 7.01 und Z Turbo
Drive stellt HP zwei Technologien vor, die helfen sollen,
Leistung und Funktion der HPWorkstations zu erweitern.
RGS erleichtert das gemeinsame, softwarebasierte Arbeiten an einem Projekt in Echtzeit, um beispielsweise die
Bedienung von Workstations
per Remote-Zugriff von einem
Windows 8 Tablet zu ermöglichen. Der HP Z Turbo Drive
ist eine speziell angebundene
SSD, die Speicherengpässen
vorbeugt.
RGS 7.01 ermöglicht die
Zusammenarbeit in Echtzeit zwischen mehreren Benutzern und liefert Workstation-Produktivität mit wenig
bis keinem Leistungsverlust.
Durch Wischen über das Display lassen sich Sondertasten
aufrufen und bedienen, mit
Gestensteuerung können Befehle ohne Tastatur eingegeben werden und einfaches
Drücken auf den Bildschirm
betätigt den Zoom. Eine präzise Bildschirm-Maus ermöglicht
darüber hinaus die Nutzung
des gesamten Bildschirms als
Track-Pad.
HP Z Turbo Drive ist eine
PCIe-basierte SSD (Solid State
Drive) für Desktop-Arbeitsplätze. Diese PCIe-Technik ermöglicht eine bis zu verdoppelte Leistung im Vergleich zum
Standard-SATA-SSD, und dies
zu einem vergleichbaren Preis.
HP Z Turbo-Laufwerke verringern die Bootzeit und auch
die Reaktionszeit bei Berechnung und Grafiken (selbst bei
4K-Videos) und vereinfachen
dadurch das Verwalten großer
Dateien.
TO P S O L I D U N D M I S S L E R S O F T WA R E
TopSolid’Cam 7.8
Der französische SoftwareEntwickler Missler Software
hat vor kurzem die Version 7.8
seiner
CAD-/CAM-Software
TopSolid‘Cam vorgestellt. Dabei
hat der Entwickler die in Volumill enthaltenen Bearbeitungsstrategien als orderbare Option
in TopSolid’Cam 7.8 integriert.
Volumill erzeugt Werkzeugwege mit gleichmäßig flüssigen
Bewegungen und vermeidet
dabei scharfe Richtungsände-
rungen ebenso wie schwankende Werkzeugbelastungen.
Eine weitere Integrations-Option ist die G-Code-Simulationssoftware NCSimul Machine. Die
Integration soll zu einer drastischen Steigerung der Sicherheit
und Zuverlässigkeit während
des Bearbeitungsprozesses und
der Programmplanungsphasen
führen. Das ist vor allem bei der
Fertigung besonders teurer Teile von Bedeutung oder auch bei
Bearbeitungszyklen, die mehrere
Stunden in Anspruch nehmen,
sowie bei der endgültigen Einstellung des Werkzeugwegs an
den Maschinen in der Werkshalle.
Die Volumill-Integration verkürzt Bearbeitungszeiten und erhöht die Standzeit der Bearbeitungswerkzeuge.
Bild: Missler
Mit Machinerymate stellt Messtechnikspezialist Althen
eine neue Serie von
Schwingungsmessgeräten zur Kennwertüberwachung
an Industriemaschinen vor.
Das Modell MAC200 misst
mithilfe eines integrierten Beschleunigungsaufnehmers
Schwingungen an der laufenden Maschine. Die integrierte
Software gleicht die gemessenen Schwingungen innerhalb des in der ISO10816 definierten Frequenzbereichs mit
den dort festgelegten Alarmierungsschwellen ab. Ein
einfach ablesbares Display in
Ampelfarben gibt schnellen
Aufschluss über den Betriebszustand des Lagers.
Bild: Althen
H E W L E T T PAC K A R D – H P
Dadurch hilft MAC200 bei der
frühzeitigen Erkennung von
Maschinenproblemen durch
Unwucht, Ausrichtungsfehler
oder lose Komponenten, bevor schwerwiegende Schäden
samt Ausfallzeiten und hohen
Kosten entstehen können. Machinerymate-Schwingungsmesser eignen sich für den
Einsatz in unterschiedlichsten
Industriezweigen wie Stromerzeugung, Heiz- und Klimatechnik, Petrochemie, Papierherstellung, Verpackung und
Lebensmittelverarbeitung.
DUNKERMOTOREN
Gleichstrommotor in
neuer Bauweise
Dunkermotoren hat eine
neue Bauweise des Axialflussmotors mit gestapelten
Wicklungen entwickelt und
es nun in Form eines ersten
Produkts vorgestellt. Der BGA
22x22 ist eisenlos aufgebaut
und bietet konzeptbedingt
die bekannten Vorteile wie
Rastmomentfreiheit und einen vibrationsarmen, leisen
Lauf. Der Motor ist mittels
Seltenerd-Magneten permanentmagnetisch erregt und
die Kommutierung erfolgt
elektronisch und damit bürstenlos.
Bild: Dunkermotoren
Dunkermotoren geht mit
dieser Entwicklung neue
Wege. Die eingesetzte Wickeltechnik, gepaart mit der
Stapelbauweise, bietet die
Grundlage für die beeindruckende
Volumenleistung,
die sich von der klassischer
eisenloser Motoren positiv unterscheidet. Der hohe
Wirkungsgrad sorgt für eine
gute Eignung zum batteriebetriebenen Einsatz. Der Motor kann sowohl auf hohe
Drehzahlen ausgelegt werden als auch auf niedrige, die
sich besonders für die Kombination mit Getrieben eignen. Die aktuellen Auslegungen
bieten Drehzahlen bis
16.000 U/min.
„Es wäre viel bequemer,
wenn ich die Papierrollen
von vorne beladen könnte.“
Genau so haben sich befragte Architekten, Ingenieure und Konstrukteure das vorgestellt:
Papierrollen sind jetzt bequem von vorne einzulegen. Durch die einfache Handhabung der
HP Designjet T920, T1500 und T2500 werden Sie künftig auch mit einem ganz anderen Druck
perfekt umgehen – dem Zeitdruck. Noch mehr Vorteile nach Ihren Vorstellungen entdecken
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© 2014 Hewlett-Packard Development Company, L.P.
0010 | AKTUELL | Trends & Technologien
MAPLESOFT
WSCAD
Regelungs-Toolbox
wird überarbeitet
Werden bestehende Anlagen
umgebaut, saniert oder erweitert, sind oft alte Pläne im
Papierformat oder Scans die
Arbeitsgrundlage. Sie sind
zum Teil mehrfach gefaltet,
WSCAD-Digitalisierung – vom
Bestandsplan zum
Plan mit Logik.
Bild: WSCAD
vergilbt, in einem nicht sehr
guten Zustand oder fehlerhaft. Mit diesen weiterzuarbeiten ist häufig unmöglich,
da nach Aktualisierungen
und Revisionen die Daten zur
Abnahme in digitaler Form
benötigt werden.
Häufig sind die Zeitpläne der Instandhalter extrem
knapp. Für eine Digitalisierung bleiben dann nicht genug Ressourcen frei, da die
Arbeiten vor Ort die ganze
Aufmerksamkeit fordern.
WSCAD electronic bietet
neben seiner E-CAD-Software einen entsprechenden
Digitalisierungs-Service an.
Dazu können Pläne im Papierformat, als PDF oder DXF/
DWG eingeschickt werden.
Je nach Wunsch des Auftraggebers werden Projekte oder Revisionsarbeiten
im WSCAD 5.5, Suite oder
Fremdformaten
erstellt.
Stromlauf- und Aufbaupläne
werden manuell nach Kundenvorlage neu gezeichnet.
Automatisch generierte Listen wie Inhaltsverzeichnisse,
Klemmen-, Kabelpläne oder
Stücklisten werden gleich
kostenlos mitgeliefert.
Kundenspezifische Symbolbibliotheken,
Artikeldatenbanken und Makros
werden von WSCAD auf Kundenwunsch ebenfalls erstellt.
Maplesoft hat ein Update der
Maplesim-Control-Design-Toolbox angekündigt. Die Toolbox
ist ein Add-on für Maplesim, das
Werkzeuge zur Modellierung
und Simulation auf Systemebene bereitstellt. Sie bietet eine
größere Flexibilität und zusätzliche Analyseoptionen durch den
Einsatz symbolischer Parameter.
Die neue Version erweitert
die Funktionalität um zusätzliche Steueralgorithmen, Optionen zur automatischen Auswahl
geeigneter Algorithmen und
Parameterwerte sowie zahlreiche Verbesserungen an bereits
vorhandenen Features.
Die MapleSim Control Design
Toolbox enthält damit die Möglichkeit, geschlossene Regelkrei-
se aufzubauen, um Controller
mit Rückmeldungen zu erstellen. Sie bietet einen umfangreicheren Satz an Algorithmen für
PID-Controller sowie eine automatische Abstimmung des
Controllers. Weiterhin neu ist
die automatische Berechnung
der Entwicklungsparameter wie
Pole und gewichtete Matrizen
für die Entwicklung von Steuerungen mit Statusrückmeldungen.
Diese Verbesserungen erlauben es, eine größere Vielfalt
an Controllern und ControllerObserver-Systemen, wie linearquadratische Gaußsche Regelungen (LQG), zu entwerfen.
Die neue Control-DesignToolbox ist ein Add-on zur aktuellen Version 6.4 von
Maplesim.
Bild: Maplesoft
Bestands-Pläne
digitalisieren
I G U S AU F D E R FA B CO N
Gleitlager aus dem 3D-Drucker
Auf der 3D-Druckmesse Fabcon 3.D (15.
und 17. Mai 2014 in Erfurt) zeigt der Kölner
Gleitlager-Spezialist
Igus das weltweit
erste Tribo-Filament
für 3D-Drucker. Der
Werkstoff
eignet
sich bestens als Material für LagerstelDas neue 3D-DruckMaterial ermöglicht das
Ausdrucken von funktionstüchtigen Gleitlagern.
Bild: Igus
len, da er bis zu 50-mal abriebfester als herkömmliche 3D-Druckmaterialien ist. Durch
Kombination aktueller 3D-Druck-Technik
und dem Tribo-Filament sind bisher schwer
umsetzbare Sonderformen von Gleitlagern
möglich.
Dabei sieht Produktmanager Michael
Hornung, zuständig bei Igus für den Bereich 3D-Druck, das neue 3D-Druck-Material nicht als Ersatz für das vorhandene,
umfassende Gleitlagerprogramm, sondern
als eine wichtige Ergänzung: „Im Bereich
der sogenannten ‚motion plastics‘ – also
Kunststoffkomponenten für bewegte Anwendungen – bieten wir allein 45 Gleitla-
ger-Werkstoffe in Serie für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete an. Mit dem
Tribo-Filament, aber auch den Halbzeugen
oder dem neuen Tribo-Tape, machen wir
diese schmierfreien Werkstoffe in weiteren
Formen und Varianten verfügbar und geben dem Kunden damit mehr Freiheit in
der Konstruktion seiner Lagerstellen.“
So sollen sich auch Prototypen relativ
kostengünstig und schnell produzieren lassen. Als Eingangsdaten für den 3D-Druck
können die auf der Igus-Website bereits
verfügbaren 3D-Modelle der Igus-Produkte
im STL-Format heruntergeladen und direkt
genutzt werden.
WENN WIR ﬂexibler produzieren
wollen, liefert uns die Natur die
nötige Inspiration?
Industrieanlagen gestaltet nach natürlichem Vorbild –
ein Traum, den unsere Software wahr machen könnte.
Innovative Köpfe weltweit setzen auf die
INDUSTRY SOLUTION EXPERIENCES von
Dassault Systèmes, um die tatsächlichen
Auswirkungen ihrer Ideen zu erforschen.
Dank virtueller 3D-Einblicke können
Maschinen- und Anlagenbauer
vollkommen neue Methoden erkunden,
um dem wachsenden Bedarf an immer
höher spezialisierten, ﬂexibleren
Produktionsstätten nachzukommen.
Was kann uns die Welt der Tiere noch
alles beibringen?
Nur mit einem besonderen Kompass lässt sich die
Gegenwart verstehen und die Zukunft steuern.
3DS.COM/INDUSTRIAL-EQUIPMENT
012 | AKTUELL | Veranstaltungskalender
Wenn Sie in diesem Bereich eine Ihrer Veranstaltungen platzieren möchten, wenden Sie sich bitte an
Frau Martina Summer, Tel. 0 81 06/3 06-1 64, ms@win-verlag.de
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Schwerpunkte
Termine
Schwindt CAD/CAMTechnologie GmbH
Callenberger Str. 8
96450 Coburg
Tel.: 0 95 61 - 55 60-0
Fax: 0 95 61 - 55 60-10
E-Mail: info@schwindt.eu
Internet: www.schwindt.eu
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Aktuelle Termine und
Orte finden Sie unter
www.schwindt.eu
Transcat PLM GmbH
Am Sandfeld 11c
76149 Karlsruhe
Tel.: +49 7 21 - 9 70 43 - 0
Fax: +49 7 21 - 9 70 43 - 9 71
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www.transcat-plm.com
Workshop „Das Datenformat JT im Einsatz. Funktionen und
Möglichkeiten“
Termin: 12.06.2014, Uhrzeit: 10:00 - 17:00 Uhr, Ort: Karlsruhe
Lernen Sie ausführlich das Datenformat JT kennen und informieren Sie sich über Möglichkeiten und Methoden zu:
• Erzeugen und Einlesen von JT Daten aus und in CATIA V5 mittels
COM/FOX • Betrachtung und Aufbereitung der JT Daten durch
die externe Viewing-Lösungen LiteBox3D • Sicherstellen der
Datenqualität mittels Q-Checker JT Connector • Geometrische
Vergleiche von CATIA V5 und JT oder JT und JT mit xCompare
Kostenfreie Webseminare
zu wichtigen Themen
rund um V6, CATIA, ENOVIA,
SIMULIA, 3DVIA Composer
Comsol
Multiphysics GmbH
Robert-Gernhardt-Platz 1
37073 Göttingen
Tel.: +49-(0)551-99721-0
Fax: +49-(0)551-99721-29
E-Mail: info@comsol.de
Internet: www.comsol.de
COMSOL Multiphysics ist ein Werkzeug für virtuelle Produktentwicklung basierend auf der Finite-Elemente-Methode. In unseren
Veranstaltungen erlernen Sie verschiedene Modellierungstechniken und erstellen selbständig Simulationsmodelle. Wir zeigen
Ihnen, wie Sie COMSOL Multiphysics effektiv und produktiv für
Ihr eigenes Aufgabengebiet einsetzen können. Im Mittelpunkt
stehen die vielfältigen Möglichkeiten, physikalische Phänomene
miteinander zu koppeln.
Termine und weitere Infos
zu COMSOL Multiphysics
Workshops, Trainingskursen und Webinaren
finden Sie unter
www.comsol.de/events
Hier die nächsten CATIA Kurse:
CATIA V5 Flächenkurse
CATIA V5 Part Design Expert
Kostenloser Thementag:
CATIA 3D Master
Infos und
Anmeldung unter
www.transcat-plm.com/
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Die Teilnahme an unseren Workshops ist kostenfrei.
DYNAmore GmbH
Industriestraße 2
70565 Stuttgart-Vaihingen
Tel.: +49 (0)7 11-45 96 00-0
Fax: +49 (0)7 11-45 96 00-29
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Internet: www.dynamore.de
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viele Anwendungen
Das Berechnungsprogramms LS-DYNA zählt zu den weltweit
führenden Finite-Elemente-Softwaresystemen für die Simulation von hochgradig nichtlinearen physikalischen Problemen.
Informieren Sie sich über Anwendungen und Möglichkeiten
von LS-DYNA und dem zugehörigen Optimierungsprogramm
LS-OPT.
3. Juni 2014, Berlin
CENIT AG
Industriestraße 52-54
70565 Stuttgart
Tel.: +49 711 7825-30
Fax: +49 711 7825-4000
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Entdecken Sie die CENIT Softwarelösungen im Bereich Offline
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Tel.: 06102 / 2067-0
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ESI Group ist Vorreiter und weltweit führender Anbieter von Virtual Prototyping Software-Lösungen sowie Engineering-Dienstleistungen für die gesamte Fertigungsindustrie. In den kommenden
Monaten laden wir Sie zu folgenden Veranstaltungen ein:
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• Deutscher Montagekongress, 24.-25-06., Fürstenfeldbruck
• ISNVH, 02.-04.07., Graz, Österreich
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Ihr Ansprechpartner:
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Diese Tools ermöglichen es, mit geringem Zeitaufwand zuverlässige und optimierte Lösungen für Motoren, Transformatoren,
Aktoren, Sensoren und andere elektromagnetische Vorrichtungen zu entwickeln. Gleichzeitig werden Schulungen angeboten.
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- ICEM, Berlin, 2.-5.09.
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Schwerpunkte
Termine
KISSsoft AG
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Maschinenelementen (Zahnräder, Wellen, Lager, Schrauben,
Federn, Passfedern, Presssitze und andere) her.
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weitgehende Optimierungsmöglichkeiten. Die Anwendung
erstreckt sich vom einfachen Maschinenelement bis zur automatischen Auslegung von kompletten Getrieben. Schnittstellen zu allen wichtigen CADs runden dieses Angebot ab.
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01.+02.07. Einführungsschulung: Zahnrad & Welle
03.07. Sonderschulung:
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DSC Software AG
Am Sandfeld 17
76149 Karlsruhe
Tel.: 07 21/ 97 74-1 00
Fax: 07 21/ 97 74-1 01
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Internet: www.dscsag.com
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Bereichen Product Lifecycle Management und DokumentenManagement um:
• eine intuitive und effiziente Bedienoberfläche
mit intelligenter Prozessunterstützung
• die Integration von Produktentwicklung und
Fertigungsplanung
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Integrationen für CAx, Office und vieles mehr
Aktuelle Veranstaltungen
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Fertigung und Entwicklung
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Systems sowie CAM-Software von SolidCAM. Vom Konzept über
die mechanische und elektrische Konstruktion, Simulation, Verwaltung von Daten und Dokumenten, Qualitätsmanagement,
Kommunikation sowie der additiven Fertigung und Fertigung
mit CAM – bei Coffee bekommen Sie alles aus einer Hand.
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Friedrichshafen, 21. + 22.05.
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3. - 6.05.
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3. + 4.06.
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Oberhausen, 24.09.
AutoForm Engineering
Deutschland GmbH
Emil-Figge-Str. 76-80
44227 Dortmund
Tel.: +49 231 9742-320
Fax: +49 231 9742-322
E-Mail: info@autoform.de
www.autoform.com
AutoForm bietet Softwarelösungen für den Werkzeugbau und
die Blechumformung an. Deren Einsatz verbessert die Zuverlässigkeit in der Planung, reduziert die Anzahl der Werkzeugerprobungen und verkürzt die Tryout-Zeiten. Dies führt zu
höchster Qualität bei der Bauteil- und Werkzeugkonstruktion
und maximaler Verlässlichkeit in der Fertigung. Zudem werden
Pressenausfallzeiten und die Ausschussrate in der Fertigung
erheblich reduziert. Das Lieferspektrum wird abgerundet durch
maßgeschneiderte Trainings, Fortbildungen, konkreten Implementierungsprojekten und Consultingaktivitäten.
28. Mai 2014 ab 12 Uhr
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Büro Dortmund
06. Juni 2014
Büroeröffnung Ostfildern
Branchenplattform zur
Pflege und Neugewinnung
von Geschäftskontakten
04. Juli 2014 ab 12 Uhr
free Hands-On Workshop,
Büro Pfaffenhofen
CADFEM GmbH
ANSYS Competence Center FEM
Marktplatz 2
85567 Grafing b. München
Tel.: +49 (0)8092-7005-0
Fax: +49 (0)8092-7005-77
E-Mail: info@cadfem.de
Internet: www.cadfem.de
ANSYS Conference & 32. CADFEM Users´ Meeting
Die Fachkonferenz zur Numerischen Simulation
4. – 6. Juni 2014
im NCC Ost der Messe
Nürnberg
CD-adapco
Nürnberg Office
Nordostpark 3-5
90411 Nürnberg
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an Einsteiger aber auch erfahrende an Anwender im Bereich
Strömungssimulationssoftware und beinhaltet umfassende
Informationen über die Simulation von partikelbeladenen
Strömungen.
Workshop Partikelsimulation: Anwendungsgebiete für die
Simulation von mehrphasige Strömungen finden sich in einer
Vielzahl von Industrien. In diesem Seminar wird Ihnen anhand
von Beispielen der produktive Einsatz von Mehrphasensimulation vorgestellt.
Mehr Informationen und kostenlose Fachbesuchertickets erhalten Sie unter www.coffee.de
Mit 800 oder mehr Teilnehmern ist die Veranstaltung von
CADFEM und ANSYS Germany der Treffpunkt von FEM- & CFDAnwendern und der deutschsprachigen ANSYS Community.
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• Große CAE-Fachausstellung
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Partikelmodellierung,
22. Mai in Düsseldorf
• Informationsseminar zur
mehrphasigen CFD und
Partikelsimulation,
26. Mai in Zürich und am
27. Mai in Leipzig
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Usergroups & Messen
90000
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40000
30000
00000-99999
CH
PLZ
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Veranstaltungskalender | AKTUELL | 013
014 | AKTUELL | Messeschaufenster
SUPERCOMPUTINGKONFERENZ IM JUNI
ISC – noch
mehr Themen für die
Industrie
Die International Supercomputing
Conference 2014 steht vor der Tür
(vom 22. bis 26. Juni 2014), und es
gibt einige Neuerungen. So wurde
der Umfang des Programmschwerpunkts „Industry Innovation
through HPC“ (bisher IndustryTrack) auf zwei Tage, den 24. und 25.
Juni 2014, erweitert.
Seit 2013 auf dem Leipziger Messegelände: Die
ISC-Supercomputer-Konferenz wächst und bietet mehr und mehr Raum auch für die Themen
des Engineerings und der Industrie.
Bild: Prometeus
Themen der diesjährigen ISC sind nicht
nur das Vorrücken von Supercomputern
in die Entwicklungsabteilungen kleinerer Unternehmen, sondern beispielsweise auch die sich rapide entwickelnden,
neuartigen Cloud-HPC-Konzepte für Supercomputing in KMUs.
Mit Spannung erwartet wird zur
ISC’14 auch die neueste Liste der Top500-Supercomputer der Welt. Aus deutscher Perspektive bleibt abzuwarten,
ob sich die Systeme aus Jülich und Garching noch unter den Top 10 halten
können und welche technischen Wunderwerke China auf die Beine stellt.
Ebenfalls spannend wird dabei die
Diskussion um das Fortbestehen des
Linpack-Benchmarks für die Supercomputer sein. Mehr zum Thema findet sich
JBI |
auf Seite 44 dieser Ausgabe.
A U T O M AT I C A – 3 . B I S 6 . J U N I
Servicerobotik
und Leichtbau
im Fokus
Besucht man die Automatica, wird man so einigen
Robotern begegnen. Besonders interessant: Es gibt
einen neuen Bereich Servicerobotik.
Die Automatica findet vom 3. bis 6. Juni auf dem Gelände der Messe München
statt. Mit rund 720 Ausstellern in fünf Hallen bildet die Messe die komplette Wertschöpfungskette der Automatisierungstechnik ab: von Komponenten, Robotern
und Systemen bis hin zu kompletten Anlagen.
Messe-Highlights
Ein viertägiges Forum in der Halle B5 bietet
Besuchern Vorträge über die Anwendungsbereiche der Automatisierung an: von der
Nachhaltigkeit in der Produktion, Leichtbau, Professionelle Servicerobotik bis hin
zum Thema Smart Factory (Industrie 4.0).
Die Sonderschau „Smart Factory“ in Halle A5 zeigt in wissenschaftlichen Vorträgen und mit Demonstratoren aus der Praxis die konkreten Lösungsmöglichkeiten
der Smart Factory. Der Schwerpunkt liegt
auf den Bereichen Supply-Chain-Management, Auftragsmanagement, Logistikoptimierung, Informationstechnologie sowie
Fertigungssteuerung.
Neu: Ausstellungsbereich
Servicerobotik
Die Sonderschau „Automated ComDie Automatica 2014 wird erstmalig einen posites Production“ in Halle A5 rückt das
eigenen Ausstellungsbereich zum Thema Trendthema Automatisierung bei der FerServicerobotik präsentieren. Neben den tigung von Leichtbau-Komponenten ins
bereits bekannten Sonderschauen und Rampenlicht.
Die „Industrial Composites Production
Forschungsaktivitäten bietet die Messe
eine Plattform für verkaufbare Endprodukte Conference“ (ICPC) am 4. und 5. Juni 2014
und Komponenten, die als Investitionsgü- im Pressezentrum Ost wird von dem Spitter unmittelbar zum Einsatz kommen. Die zencluster MAI Carbon organisiert. Im MitSchwerpunkte sind unter anderem: Mobile telpunkt stehen aktuelle AutomatisierungsPlattformen, Logistik, Medizin und Pflege, lösungen und Fertigungskonzepte von
Leichtbaukomponenten aus faserverstärkInspektion und Wartung.
ten Kunststoffen.
Die Robotik-Konferenz (8th
Im Kern der AuGerman Conference on Rotomatica geht
botics) in Verbindung mit dem
es darum, die
45th International Symposium
Produktion mittels Robotik und
on Robotics (ISR) findet vom 2.
Automation zu
bis 3. Juni 2014 im Pressezenoptimieren.
trum Ost statt. Referenten aus
Wissenschaft und Industrie präsentieren Ergebnisse aus den
Da dürfen auch
Bereichen Industrie- und Serautomatische
JBI |
Ansätze zur Quali- vicerobotik.
Die Automatisierungsmesse findet in diesem Jahr (im zweijährigen Rhythmus) mit
zeitlicher Überschneidung zur Maintain,
Fachmesse für industrielle Instandhaltung,
sowie mit der Intersolar Europe, internationale Leitmesse für Solarwirtschaft, und der
electrical energy storage statt.
Unter dem Motto „Optimize Your Production“ möchte die Automatica zeigen, wie
durch Einsatz moderner Robotik, Montageund Handhabungstechnik sowie industrieller Bildverarbeitung die Stückkosten bei
steigender Qualität weiter gesenkt werden
können.
tätsprüfung, etwa
mit Bildverarbeitung, nicht fehlen.
Bilder: Automatica
Weitere Informationen:
.
Messeschaufenster | AKTUELL | 015
Bilder: AMA Service
SENSOR+TEST – SENSORIK- UND MESSTECHNIK-EVENT IM JUNI
Sonderthema Sicherheit
und parallele Fachkongresse
Die Sensor+Test findet vom 3. bis 5. Juni 2014 auf dem Gelände der Messe Nürnberg statt. Der Träger AMA Verband für Sensorik und Messtechnik rechnet in diesem Jahr mit rund 550 Ausstellern und etwa 8.000 Besuchern.
Parallel zur Fachmesse Sensor+Test finden
zwei Fachkongresse statt – die ITG/GMAFachtagung Sensoren und Messsysteme
und die European Telemetry and Test Conference. Zudem breiten sich zwei Fachforen mit Firmenpräsentationen in Halle 11
und Halle 12 aus, das Forum „Innovative
Testing“ und das Vortrags-Forum zum Sonderthema „Sicherheit“ – inklusive Podiumsdiskussion.
An allen drei Messetagen sind Live-Vorführungen und Probefahrten der Anbieter von mobiler Messtechnik auf der Aktionsfläche im Außenbereich geplant. Und
als weitere Spezialitäten sind der Themenstand „Sensoren und Systeme für die Bildverarbeitung“ sowie ein vom BMWE ge-
förderter Gemeinschaftsstand für junge
innovative Unternehmen vertreten.
Innovationspreis
Der AMA Verband für Sensorik und Messtechnik nominiert in diesem Jahr vier Bewerbungen für den AMA Innovationspreis
2014. Der Verband zeichnet darunter zwei
‚junge Unternehmen‘ mit dem dafür ausgelobten Sonderpreis aus.
Nominiert sind ePholution mit „EasyPrecision“, einer hochpräzisen Vermessung optischer Elemente, Teichert Systemtechnik
mit dem „Interaktionskabel InKa“, die Universität Stuttgart gemeinsam mit der Mahr
GmbH mit TWI – einer schnellen und flexiblen Asphären- und Freiformflächenvermes-
sung sowie ein Gemeinschaftsprojekt
der Attocube Systems AG und der NHands GmbH & Co.
KG um einen ultrapräzisen Wegsensor
mit Pikometer-Auflösung & 10-MegahertzMeßbandbreite.
Die Gewinner des AMA-Innovationspreises 2014 werden am 3. Juni 2014 auf
der Eröffnungsveranstaltung der Fachmesse Sensor+Test in Nürnberg bekannt
gegeben.
Das konkrete Anwendungs- und Produktspektrum der Sensor+Test ist immens.
Recherche-Angebote finden sich im Internet, www.sensor-test.com, m.sensor-test.
com (für mobile Geräte) und im Social Media (www.facebook.com/sensorplustest,
JBI |
www.twitter.com/sensorplustest). RÜ C K B L I C K – DA S WA R D I E H A N N OV E R M E S S E 2014
Zukunftsfabrik wird greifbarer
Zur Hannover Messe 2014 fanden sich über 180.000 Besucher aus etwa 100
Ländern ein – rund 10.000 Besucher weniger als zur vergleichbaren Veranstaltung 2012. Jeder Vierte reiste aus dem Ausland an – 57 Prozent davon aus der
Europäischen Union, 20 Prozent aus Süd-, Ost- und Zentralasien.
Die weltweit wichtigste Industriemesse
hat das zentrale Zukunftsthema der Industrie besetzt und Lösungen für die intelligenten Fabriken der Zukunft präsentiert“,
erklärte Dr. Jochen Köckler, Vorstandsmitglied des Messeveranstalters Deutsche
Messe zur Hannover Messe 2014.
Weltweit zeige nur die Hannover Messe
das gesamte Bild von der Einzel-Komponente bis zur voll funktionsfähigen smarten Fertigungsstraße – das komme bei Entscheidern aus der Industrie hervorragend
an, kommentierte Köckler. „Aus der Sicht
Robotik und
Automation
– zentrale Themen der Industriemesse.
Bilder: Deutsch
Messe
der Industrie war die Hannover Messe eine
perfekte Messe. Hier wurde deutlich: Industrie 4.0 eröffnet den Ausstellern vollkommen neue langfristige Wachstumspotenziale – und die Kunden wollen investieren.“
Dr. Dietmar Harting, Vorsitzender des
Ausstellerbeirats, erklärte zum Abschluss
der Messe: „Hier schlagen die Digitalisierung und Vernetzung der Industrie ihre
Wurzeln, um zu kräftigen Bäumen zu
wachsen. Das ist der Ausgangspunkt, um
die industrielle Entwicklung in allen Ländern des Globus voranzutreiben.“
Tatsächlich waren zahlreiche Demonstrationsanlagen zur Industrie 4.0 in den
Messehallen zu finden und auch für die
großen Herausforderungen wie Standardisierung in der Produktion wurden in Hannover konkrete marktfähige Lösungen und
Die Industrie 4.0 war auf der Hannover Messe
allgegenwärtig.
Produkte vorgestellt. Die Demonstratoren
zeigten, wie sich Produkte selbstständig
durch Anlagen steuern, um anschließend
individuell bearbeitet zu werden.
Bei aller Vernetzung war auch die Datensicherheit Thema auf der Messe: Über
die Sicherheit von Prozessen und Daten wurde nicht nur in den Foren diskutiert, um Fabriken fit für die weitreichende
Vernetzung zu machen, könnten Industrieunternehmen in Zukunft enger mit
internationalen Anbietern von Cyber-Security-Software kooperieren. Ein greifbares Beispiel ist hier die Kooperation von
Siemens und McAfee, die die beiden Unternehmen im Rahmen der Messe bekanntgegeben haben.
Die nächste Hannover Messe findet
JBI |
vom 13. bis 17. April 2015 statt. DIGITAL ENGINEERING Magazin 04-2014
016 | SPECIAL MEDIZINTECHNIK | CFD-Simulation
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S I M U L AT I O N D E S B L U T F L U S S E S
Sichere Dialyse durch
CFD-Simulation
Strömungssimulation (CFD) kommt auch im medizinischen Bereich zum Einsatz, zum Beispiel bei der Konstruktion von
biomedizinischen Geräten, bei der numerischen Diagnose und bei der pharmazeutischen Produktion. Mit Hilfe der CFD-
Lösung STAR-CCM+ von CD-adapco optimierte jetzt ein Forschungsteam des Imperial College London den Blutfluss bei
der Dialysebehandlung.
VON DR. PETER VINCENT UND PRASHANTH S. SHANKARA
D
ie chronische Nierenkrankheit
(Chronic Kidney Disease, CKD) betrifft über acht Prozent der Weltbevölkerung – mit steigender Tendenz. Das schwerste Stadium von CKD ist
das chronische Nierenversagen (End-Stage
Renal Disease, ESRD), bei dem die Nieren
gar nicht mehr arbeiten. In diesem Stadium
kann der Patient nur noch durch eine Transplantation oder regelmäßige Dialyse überleben. Die Statistik zeigt, dass über die Hälfte der ESRD-Patienten die Voraussetzungen
für eine Transplantation nicht erfüllen und
deshalb auf die Dialyse angewiesen sind.
Dies betrifft weltweit geschätzte zwei Millionen Menschen. Die Mehrzahl dieser Patienten kommt aus den fünf Ländern USA,
Japan, Deutschland, Brasilien und Italien,
während viele Patienten im Rest der Welt
keine Behandlung erhalten, weil kein Zugang zur Dialyse besteht und die Behandlung unerschwinglich teuer ist [1].
Die wachsende Lebensdauer von Hämodialyse-Patienten und die zu geringe Zahl
Bild 1: Schematische Illustration einer AVF im Arm, bei der eine
Vene an eine Arterie angeschlossen wird.
von Spenderorganen für die wachsende
Anzahl von ESRD-Patienten haben eine
Steigerung der durchschnittlichen Dauer
der Dialyse und der Zahl der Dialysepatienten insgesamt zur Folge. Wenn ESRD auftritt, können die Nieren die Abfallprodukte
im Blut nicht mehr auswaschen. Bei der Hämodialyse wird das Blut aus dem Körper herausgeleitet, durch spezielle Filter geführt,
die die unerwünschten Substanzen zurückhalten, und zurück in den Körper gepumpt.
Ein wichtiger Aspekt dabei ist, genügend
Blut aus dem Körper abpumpen zu können. Der Zugang mittels eines Katheders
ist nur eine kurzfristige Lösung, langfristig
wird meist am Handgelenk oder Oberarm
des Patienten eine Verbindung zwischen
einer Arterie und einer Vene hergestellt,
auch bekannt unter dem Namen Arteriovenöse Fistel (AVF). Wenn sich die AVF weitet,
steigert sich der Blutfluss an dieser Stelle signifikant, was einen idealen Zugangspunkt
ergibt, um das Blut zur Reinigung aus dem
Körper zu entnehmen.
Komplikationen mit dem Gefäßzugang
und vor allem der Stabilität der AVF zählen zu den häufigsten Todesursachen bei
ESRD-Patienten [1]. Die Durchgängigkeit
der AVF wird oft durch die Entzündungskrankheit Intimahyperplasie (IH) und/oder
Thrombosen stark beeinträchtigt, was ungünstige Krankheitsverläufe, zusätzliche
Kosten für das Gesundheitssystem oder sogar den Tod verursacht. Eine in der Praxis
nutzbare, zuverlässige und kosteneffektive
Möglichkeit des Gefäßzugangs wird deshalb dringend gesucht.
Ein Forscherteam des Imperial College
London arbeitet mit Hilfe moderner Com-
puterwerkzeuge daran, neue AVF-Konfigurationen zu entwickeln, die einen möglichst optimalen Blutfluss ergeben. Ziel
ist es, die Dialysebehandlung preiswerter und vor allem weniger anfällig für IH
zu machen. Das Team vom Nieren- und
Transplantationszentrum sowie den In
s
tituten für Medizin, Bioengineering und
Aeronautik arbeitet mit dem Academic
Health Science Centre und dem NIHR Comprehensive Biomedical R
esearch Centre zusammen, um Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) für dieses
international wichtige Gesundheitsproblem zu nutzen.
„Die hochgradig fächerübergreifende
Herangehensweise des Imperial College
und deren weltweit führende Kliniken bieten die perfekte Umgebung für diese Art
der Forschung. STAR-CCM+ von CD-adapco spielte eine zentrale Rolle in unserer Forschung. Mit Hilfe dieser Software verstanden wir die Strömungsphysik innerhalb der
AVF besser und konnten an der Verbesserung der Ausgestaltung und Funktion arbeiten“, sagt Dr. Peter Vincent, Dozent für
Aerodynamik, Department of Aeronautics,
Imperial College London.
Arteriovenöse Fisteln und deren
Komplikationen
AVF sind Zugangspunkte zum Blutkreislauf
für die Dialyse, die ein Gefäßchirurg aus
den Adern des Patienten erzeugt. Die benutzten Adern – eine Arterie und eine Vene
– werden zusammengeführt, indem man
die Vene an ein fünf Millimeter großes Loch
in der Seitenwand der Arterie näht (anastomisiert) [2]. Der Blutfluss von der Arterie
ANZEIGE CFD-Simulation | SPECIAL MEDIZINTECHNIK | 017
Bild 2: CAD-Modell einer AVF-Konfiguration, die mit Hilfe einer „virtuellen Operation“
erzeugt wurde.
in die Vene hat die Folge, dass letztere sich
erweitert, was das Einsetzen einer sehr dicken Kanüle ermöglicht. Zusätzlich wird
durch den starken Druckunterschied zwischen Vene und Arterie die Blutzirkulation
erhöht und der Zugang kann damit einen
Blutfluss von 300 bis 500 Milliliter pro Minute [3] liefern, wie er für eine Dialyse erforderlich ist. Zum Vergleich: Der natürliche
Blutfluss in diesem Bereich des Arms liegt
zwischen 50 und 100 Milliliter pro Minute.
AVF ist einerseits die optimale Behandlungsform bei dafür geeigneten Patienten,
andererseits ist die Behandlung bei fast der
Hälfte der Patienten im ersten Monat nach
der Operation nicht erfolgreich [4]. Intimahyperplasie in der AVF entsteht durch eine
abnormale Verdickung der inneren Wand
eines Blutgefäßes als Komplikation des
physiologischen Umgestaltungsprozesses
und wird durch die Veränderung der Strömungsbedingungen ausgelöst. Diese abnormale Verdickung behindert die Durchgängigkeit der AVF und führt in vielen
Fällen sogar zu ihrer Verstopfung [5].
Sichere AVF-Gestaltung mit Hilfe
von STAR-CCM+
In den letzten Dekaden wurde CFD, eine
numerische Simulationstechnologie – die
man zuerst in der Luft- und Raumfahrt
nutzte –, zu einer wichtigen Alternative
zu Experimenten im Bereich Life Sciences.
CFD-Anwendungen umfassen die Kons
truktion von biomedizinischen Geräten,
numerische Diagnose und pharmazeutische Produktion.
Mit Hilfe der numerischen Simulation
analysierte das Forschungsteam des Imperial College eine ganze Reihe von AVFKonfigurationen, um den Zusammenhang
zwischen der Geometrie und den Strömungsmustern sowie die Wahrscheinlichkeit von Komplikationen zu verstehen. CFD
ermöglicht es, die Strömung in den Blutgefäßen zu untersuchen; die dazu und für
Bild 3: Das Volumennetz im Bereich der AVF.
die weiteren Schritte benötigten Kennzahlen werden auf Basis der Geometrie und
der Rahmenbedingungen des Zuflusses
berechnet. Experimentell lassen sich diese Daten nur sehr schlecht gewinnen und
so ist die verfügbare Datenbasis recht lückenhaft. Die interessantesten Kennzahlen,
darunter der Scherdruck an der Wandung
(Wall Shear Stress, WSS) und der Schwingungsdruckindex (Oscillatory Shear Index,
OSI), kann man durch Experimente gar
nicht erfassen. Die numerische Simulation
ermöglicht es den Forschern, solch komplexe Strömungsphänomene im Detail zu
visualisieren und ist nichtinvasiv. So lässt
sich eine Vielzahl von Alternativen schnell
und effizient analysieren.
Der Simulationsprozess
Am Beginn des Prozesses steht die Erstellung
eines CAD-Modells der Arterien im menschlichen Arm. Dann bringt man mit Hilfe „virtueller Operationen“ verschiedene AVF in diese
natürliche Geometrie ein (siehe Bild 2). STARCCM+ von CD-adapco wird dazu genutzt,
den Blutfluss durch die verschiedenen AVFKonfigurationen zu simulieren. STAR-CCM+
ist ein integriertes Softwarepaket, das den
gesamten Prozess vom CAD-Modell bis zum
Simulationsergebnis abdeckt, so dass der
Anwender eine Vielzahl von Varianten effizient analysieren und optimieren kann.
Die AVF-Konfigurationen wurden mit
der automatisierten Polyedervernetzungstechnologie in STAR-CCM+ vernetzt; jede
Konfiguration enthielt am Ende etwa
zehn Millionen Polyederzellen. Bild 3 zeigt
eine Vergrößerung eines Volumennetzes
mit prismatischen Schichten in der Wandung. Die automatische Erzeugung von
Prismenschichten wurde genutzt, um die
Grenzschichtströmung in Arterie, Vene
und AVF zu berechnen. Das Berechnungsnetz hat man im Bereich der Verbindung
der Adern verfeinert, um die Strömungsverhältnisse sehr genau zu erfassen. Inkompressible Navier-Stokes-Gleichungen
sind in der gesamten Domäne zum Einsatz gekommen, wobei das Blut als Newtonsche Flüssigkeit mit konstanter Viskosität modelliert wurde. Die Randbedingung
für den Zufluss des Blutes in der Arterie
wurde zunächst als nicht pulsierend angenommen, spätere Simulationen enthielten
dann eine transient pulsierende Strömung
als Randbedingung. Für die Gefäßwände
hat man feste, schlupffreie Wände angenommen.
Erwartungen an die Simulation
Bild 4 zeigt den Transport eines passiven
Kontrastmittels, das Viskosität und Strömung des Blutes nicht beeinflusst, mit dem
Blutfluss an regelmäßig angeordneten
Bild 4: Konzentration eines passiven
Kontrastmittels an
mehreren Querschnitten in Arterie,
Vene und AVF.
018 | SPECIAL MEDIZINTECHNIK | CFD-Simulation
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Bild 5: Konzentration des
passiven Kontrastmittels
an einem Schnitt entlang
der Mittellinie des AVF.
Bild 6: Strömungslinien zeigen den Blutfluss
innerhalb der AVF.
Bilder: CD-adapco
Querschnitten der Arterie, der Vene und
der AVF-Verbindung für eine der Design
alternativen. Die Konzentration des Kontrastmittels zeigt, wie das Blut in der AVF
gemischt wird, so dass die Ergebnisse der
Simulation eine qualitative Beurteilung der
Strömungsverhältnisse ermöglichen. Die
nicht-physiologische Dynamik des Blutes in
diesem Bereich lässt den Scherdruck an der
Wandung stark schwanken, was der Auslöser für die Entzündungen sein könnte, die
die AVF unbrauchbar machen.
Die Konzentration des Kontrastmittels
längs der Mittellinie der AVF ist in Bild 5 zu
sehen. Es zeigt sich, dass die Vermischung
des Bluts an der Verbindungsstelle nicht
gleichmäßig stattfindet. Bild 6 zeigt die
Strömungslinien des Blutflusses durch die
Verbindung. Die Ergebnisse aus der CFDLösung STAR-CCM+ ermöglichten es dem
Forscherteam, Bereiche von Rückströmung,
Wirbeln, hoher Wirbelgeschwindigkeit sowie hohen und niedrigen Scherdrucks im
Bereich der Fistel zu identifizieren. Zudem
lassen sich die hämodynamischen Parameter, also die Parameter des Blutflusses oberund unterhalb der Fistel analysieren, um
weitere Problemzonen zu identifizieren.
Zusammenfassung
Das Forscherteam des Imperial College
London nutzt die numerische Simulation,
um bessere AVF-Designs zu finden. Diese
besseren Designs sollen die Erfolgsquote
der klinischen Eingriffe an Dialysepatienten erhöhen und die finanziellen Lasten
der Krankenversicherungen reduzieren.
Steigt die Erfolgsquote bei AVF-Operationen, führt dies zu besserem Befinden der
Patienten, höherer Lebenserwartung und
besserem Nutzwert, was wiederum die
Dialyse potenziell auch für ärmere Gesellschaften erschwinglich machen kann. Die
Forscher erhoffen sich zudem, dass die
Forschungsergebnisse auch anderen Bereichen zugute kommen, beispielsweise
bei der Erforschung von Komplikationen
bei Stents, Arterienbypassen und Organtransplantationen durch IH. Das Endziel des
Forscherteams ist es, Chirurgen Leitlinien
an die Hand geben zu können, wie sie die
AVF ausgestalten sollten, um gesunde Strömungsverhältnisse zu erzielen und Komplikationen zu vermeiden.
Dies ist ein sehr gutes Beispiel für die
weitreichenden Auswirkungen der numerischen Simulation in unserem täglichen Leben – sie hilft ebenso, Leben zu retten wie
bessere Produkte zu entwickeln. Dr. Richard
Corbett vom Nieren- und Transplantationszentrum des Imperial College resümiert: „Es
ist eine tolle Erfahrung, Teil dieser multidisziplinären Forschungsgruppe des Imperial
College London zu sein und mit Luftfahrtingenieuren, Bioingenieuren, Radiologen,
Nephrologen und Chirurgen zusammen-
zuarbeiten. Dabei übertragen wir Grundlagenforschung und ingenieurstechnische
Konzepte auf die Behandlung des Patienten. CFD ist ein zentrales Werkzeug, um
unser Verständnis der Komplikationen von
AVFs zu vergrößern und bessere Strategien
zu entwickeln.“
Dr. Neill Duncan, Facharzt für Nieren und
klinischer Leiter der Dialyse am Imperial
College Nieren- und Transplantationszentrum sowie Honorary Senior Lecturer des
Imperial College, fasst zusammen: „Wir haben eine sehr gute Zusammenarbeit der
Mitglieder des Forscherteams erlebt mit einer einzigartigen Kombination der Kenntnisse im Management von Dialysepatienten im größten entsprechenden Zentrum
Großbritanniens sowie der computerbasierten Strömungssimulation, angewandt
auf klinische Modelle von arteriovenösen
Fisteln. Der Gefäßzugang ist die lebenswichtige Schnittstelle zwischen Patient
und der Dialysemaschine, ohne die viele
Patienten ihr chronisches Nierenversagen
nicht überleben würden. Fast die Hälfte der arteriovenösen Fisteln heilen nicht
komplikationsfrei und sind nicht wie gewünscht nutzbar. Der Grund dafür sind
biologische Prozesse in der Gefäßwand
mit dem Namen Intimahyperplasie. STARCCM+ hat uns ein besseres Verständnis
der Strömungsverhältnisse in der Fistel
und deren Einfluss auf die Intimahyperplasie ermöglicht. Dies erlaubt es uns, klinische Pilotstudien durchzuführen und die
Konfiguration der AVF zu untersuchen. Wir
hoffen, damit bedeutende Verbesserungen der Erfolgsrate dieser Operation zu erreichen.“
RT |
Dr. Peter Vincent ist Dozent für Aerodynamik,
Department of Aeronautics am Imperial College
London. Prashanth S. Shankara arbeitet als
Technical Marketing Engineer bei CD-adapco.
Nachweise:
[1] Feldman, H., Kobrin, S., Wasserstein, A. (1996). Hemodialysis vascular access morbidity, J. Am. Soc. Nephrol., 523 – 535, 1996.
[2] Loth, F., Fischer, P. F., & Bassiouny, H. S., Blood Flow
in End-to-Side Anastomoses, Annual Review of Fluid
Mechanics, 40(1), 367 – 393, 2008.
[3] Sivansesan, S., How, T.V., Black, R., Bakran, A., Flow
patterns in the radiocephalic arteriovenous fistula: an
in vitro study, Journal of Biomechanics, 32(9),
915 – 925, 1999.
[4] Huijbregts, H. J. T., Bots, M. L., Wittens, C. H. a, Schrama, Y. C., Moll, F. L., Blankestijn, P. J. , Hemodialysis
arteriovenous fistula patency revisited: results of a
prospective, multicenter initiative, Clinical journal
of the American Society of Nephrology: CJASN, 3(3),
714 – 9, 2008.
[5] Sivansesan S, How T.V., Bakran A., Sites of stenosis in
AV fistulae for haemodialysis, Nephrol Dial Transplant
14: 118 – 120, 1999.
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020 | SPECIAL MEDIZINTECHNIK | Systemsimulation
V I R T U E L L E A U S L E G U N G M O B I L E R O P E R AT I O N S T I S C H E
Kosten und Zeit sparen
Die Anforderungen bei der Entwicklung medizinischer Geräte steigen ständig. Mittels Simulation lässt sich die Zahl physischer Prototypen bei der Optimierung der Systeme reduzieren und neue Maschinenkonzepte können deutlich schneller
entwickelt werden. VON CHRISTIAN ZAUGG UND KEVIN HOFMANN
Bild 1: Mobiler
Operationstisch
Schaerer Arcus.
Quelle: Schaerer Medical
M
it dem medizinischen Fortschritt steigen die Ansprüche
der chirurgischen Abteilungen:
Anlagen für bildgebende Verfahren wie Tomographen müssen hohen
Anforderungen an Standsicherheit, Stabilität und Vibrationsarmut der elektrischen
Antriebe genügen, um genaue Messdaten
zu liefern. Gleiches gilt für die Operationstechnik, die direkt am Patienten arbeitet
wie Operationstische oder Endoskopie-Roboter.
Maschinen zur Bearbeitung von Prothesenkomponenten müssen ebenso höchsten Standards entsprechen wie lebenserhaltende Geräte und Inkubatoren und
Rollstühle.
Hersteller von Produkten für chirurgische
Anwendungen sind gefordert, kontinuierlich verbesserte Produkte auf den Markt zu
bringen – in kürzeren Entwicklungszyklen
und mit weniger Zeit für ausführliche Tests
am Prototypen.
Um den hohen sicherheitstechnischen
Anforderungen dennoch zu genügen,
nutzt der Schweizer Medizintechnik-Hersteller Schaerer Medical das Entwicklungswerkzeug SimulationX zur multiphysikalischen Systemsimulation.
OP-Tisch für schwere Lasten
Der Tisch (Bild 1) ist für ein Gewicht bis 500
Kilogramm ausgelegt, was das Operieren
von schweren Patienten problemlos möglich macht. [1, 2]. Sämtliche Standardpositionen lassen sich unter der maximalen
Belastung anfahren. Mit Blick auf die Simulation setzt sich der Operationstisch aus
mehreren elektrohydraulischen Antriebssystemen zusammen:
• Höhenänderung nach oben/unten,
• Trendelenburg-/Anti-TrendelenburgLagerung,
• Seitliche Neigung nach links/rechts,
• Sitzplatte nach oben/unten,
• Kopfplatte nach oben/unten,
• Flex/Reflex.
eine Person gesteuert. Das Ziel ist dabei, die
lageabhängigen Lasten und die Drücke an
den Antriebszylindern sowie die zu erreichenden Kräfte und Geschwindigkeiten mit
Blick auf die Zylindergröße zu analysieren.
Zusätzlich werden vorher festgelegte
Fehlfunktionen des Systems durch Modellierung unterschiedlicher Interaktionen untersucht. Diese Analyse wird damit virtuell
durch Simulation verschiedenster physikalischer Größen unterstützt, die in der Realität nur schwierig und mit hohem Aufwand
zu messen sind.
Physikalische Simulation
Der Einsatz eines CAE-Werkzeuges zur
durchgängigen Simulation des gesamten
physikalischen Systems unterstützt den Entwickler beim Modellieren und Simulieren
der Anlage, des Antriebs und der Prozesse.
Darüber hinaus kann der Ingenieur mit solch
einer Software das gesamte Systemverhalten optimieren, indem er alle Wechselwirkungen zwischen Mechanik, Regelungstechnik und Hydraulik berücksichtigt.
Mehrere Gelenke und Achsen
Ein mobiler Operationstisch besteht grund- Hydraulikantrieb modellieren
sätzlich aus einem mechanischen System, Der Hydraulikkreislauf des Teilsystems für
das durch mehrere Gelenke und Antriebs- die Sitzeinstellung (Bild 2) besteht aus zwei
achsen mit unterschiedlichen Freiheitsgraden bewegt wird.
Die Bewegungen sind
dabei weniger von hoher Dynamik bestimmt
als vielmehr durch das
Zusammenspiel einzelner Abläufe in Abhängigkeit von der
Lage der Lasten.
Das führt zu komplexen physikalischen
Wechselwirkungen. Das
herkömmliche System
wird vorwiegend durch Bild 2: Modell des hydraulischen Antriebssystems.
Systemsimulation | SPECIAL MEDIZINTECHNIK | 021
Bild 3:
3D-Ansicht
des ArcusTeilsystems.
in Reihe geschalteten Differentialzylindern
(Master-Slave-Prinzip). Die Synchronisierung wird durch die Äquivalenz der kolbenstangenseitigen Ringfläche des Master-Zylinders mit der kolbenseitigen Fläche des
Slave-Zylinders erreicht.
Im inaktiven Zustand sind die vorgesteuerten Rückschlagventile geschlossen, weil
ihre Steuerleitungen mit dem Tank verbunden sind. Wenn die Kolbenstangen ausgefahren werden, öffnet sich das Rückschlagventil am Stangenseitenanschluss des
Slave-Zylinders wegen des Druckaufbaus
in der Steuerungsleitung des Ventils.
Das Einfahren funktioniert auf dieselbe
Weise, wobei nun die anderen beiden Kontrollventile geöffnet sind. Alle Elemente können einer Standard-Hydraulikbibliothek entnommen werden. Die Parametrierung der
Elemente erfolgt mit Hilfe von Datenblättern.
Daten importieren
Nach Modellierung und Parametrierung
des Hydrauliksystems werden die CADDaten des mobilen Operationstisches in
SimulationX importiert. Der Import erfolgt
als ein Mehrkörpersystem-Modell (MKS) für
die dynamische Antriebssimulation und
wird durch einen CAD-Import-Assistenten
unterstützt (Bild 4). Dabei müssen sowohl
die CAE- als auch die CAD-Software gleichzeitig laufen.
Nach der Auswahl der CAD-Datei werden die zu importierenden Elemente mit
den SimulationX-Typen verknüpft [3]. Anhand dieser Information lassen sich passende Komponenten für die CAD-Elemente in SimulationX erstellen und gleichartige
Eigenschaften wie Geometrie und Trägheit
übertragen.
Im nächsten Schritt werden die strukturellen Abhängigkeiten zwischen den Elementen der Baugruppe importiert. Die
MKS-Modellierung bedarf einer klaren Definition von Abhängigkeitsketten. Sie legen
fest, von welchem Vorgänger die Objekte stets abhängen. Nach der Auswahl der
CAD-Elemente und der Bestimmung aller
Referenzen beginnt die Modellerstellung.
Der CAD-Import erzeugt für jedes markierte CAD-Element eine Komponente in
SimulationX. Die Beziehung zwischen Bezugssystem und Element wird durch eine
Verbindung in der Strukturansicht hergestellt. Das 3D-Modell wird automatisch im
Hintergrund generiert. Möglicherweise
sind weitere Schritte wie das Schließen der
kinematischen Ketten, Parametrierung und
die Ergänzung zusätzlicher Komponenten,
die nicht dem CAD-Modell entnommen
werden können, erforderlich.
ten in Creo Elements, wobei der Abstand
zwischen der Zylinderbasis und der Kolbenstange gemessen wird.
Analyse und Optimierung
Nach der Modellierung des vollständigen
Teilsystems wird das dynamische Verhalten
des mobilen Operationstisches für verschiedene Lasten und Positionen untersucht. Es
ist wichtig herauszufinden, welche Kräfte
am Hydraulikantrieb angreifen und mit welchen Geschwindigkeiten sich die Kolben bewegen. Außerdem können spezielle Effekte
wie die Synchronisierung der beiden Hydraulikantriebe analysiert werden. Diese sind
weder fest noch elastisch miteinander verbunden. Die Synchronisierung wird lediglich
durch die Schaltung der Hydraulikantriebe
in Reihe realisiert. Dadurch sind jedoch verschiedene Fehlerszenarien möglich.
Denkbar sind zum Beispiel Synchronisierungsfehler aufgrund der Kompressibilität des Öls, unterschiedlicher Lasten an
den Sitzstangen oder aufgrund von Lecks
Modellierung der Mechanik
Das untersuchte Teilsystem basiert auf der
Sitzfläche über dem Standfuß. Im Inneren
dieser Sitzfläche befinden sich zwei hydraulische Zylinder, die über Drehgelenke auf
der einen Seite mit dem
Hauptholm und auf der
anderen Seite mit jeweils
einem Sitzholm verbunden sind. Die kinematische Kette wird durch die
Verbindung der Sitzholme mit dem Hauptholm
über Zwangsbedingungen geschlossen.
Diese Zwangsbedingungen sind sogenannte Schließgelenke. Die
beiden
auszuwählenden Bezugskoordinatensysteme müssen auf ein
und demselben Punkt, Bild 4: Screenshot des SimulationX-Imports aus CAD-Daten.
referenziert zum globalen Koordinatensystem, liegen. Weiterhin in der Leitung zwischen den zwei Antriebsmüssen die gesperrten und freigegebenen zylindern. In SimulationX kann das HydrauFreiheitsgrade ausgewählt werden. Dabei liksystem mit anderen Synchronisierungsübernehmen die Schließgelenke die Funk- kreisläufen getestet und für ein besseres
tion von Drehgelenken. Die hydraulischen Systemverhalten optimiert werden. J B I |
Antriebszylinder werden mit Kraftelementen zwischen der Zylinderbasis und der Literatur
[1] Broschüre: „Mobile Universale Operationstische für
Kolbenstange modelliert (angetriebenes
alle Gewichtsklassen und chirurgischen Anwendungen“, Schaerer Medical AG.
Schubgelenk). Bild 3 zeigt die Abhängigkeitskette des Schaerer-Arcus-Teilsystems. [2] Website Schaerer Medical: www.schaerermedical.ch.
[3] Tutorial: „CAD Import from CreoTM Elements/Pro“, ITI
Die Zusammenführung der mechanischen
GmbH, 2011.
und hydraulischen Systeme erfolgt über
die Verbindung der Differentialzylinder mit
den Schubgelenken. Besonderes Augen- Christian Zaugg ist Leiter Entwicklung & Konstruktion bei Schaerer Medical in Münsingen (Schweiz).
merk liegt hierbei auf der KoordinatenverKevin Hofmann ist Applikations- und Projektingenischiebung zwischen Kolben und Gehäuse. eur bei ITI in Dresden.
Der Anfangswert entstammt den CAD-Da-
022 | SPECIAL MEDIZINTECHNIK | Handling in der Pharmaindustrie
Spritzen haben keine Fläche, auf
der sie stehen könnten. Deshalb
werden sie auf der Fingerauflage
hängend transportiert.
BAUKASTEN ERMÖGLICHT SONDERLÖSUNGEN
Spritzen im Takt
In der Pharmaindustrie gelten hohe Anforderungen an Hygiene, Qualität und Leistung. Das ist auch für die entsprechenden
Verpackungsanlagen der Fall. Wie sich diese Anforderungen erfüllen lassen, zeigt das Beispiel einer Roboterzelle, die Spritzen verpackt.
Anschaffungskosten sind
dadurch vergleichsweise
niedrig. Ein wichtiger Vorteil ist die extrem platzsparende Bauweise, mit der
wir auf besonders kleinem
Raum arbeiten können.“
Das Grundmodul des MRT
nimmt eine Fläche von
knapp einer Europalette
ein, das heißt: 100 mal 130
Zentimeter, und ist rund
220 Zentimeter hoch.
Die Besonderheit des
Spritzenhandlings
In der Roboterzelle arbeiten zwei Mitsubishi-Roboter über Kopf zusammen.
Jede Spritzenverpackungslinie benötigt eine spezieler deutsche Pharmakonzern und le Zuführung, denn Spritzen haben keinen
langjährige Kunde benötigte ein Boden, auf dem sie stehen können. DesHandling-Modul zur Zuführung halb werden sie an der Fingerauflage, dem
von Fertigspritzen in seine End- sogenannten „Finger Flange“, hängend
verpackungsanlage. Die Lösung sollte flexi- transportiert und gelagert, wozu besondebel und in vier bis fünf Monaten produktiv re Träger notwendig sind.
sein. Die Geschwindigkeitsanforderungen
Die zwei gängigsten sind normierte
waren mit 400 verpackten Spritzen pro Mi- Kämme und Nester, die jeweils 160 Spritnute hoch, während der zur Verfügung ste- zen fassen. Zum Verpacken müssen die
hende Raum mit zirka drei Quadratmetern Spritzen aus den Kämmen oder Nestern
extrem klein war. Außerdem sollte eine Um- entnommen und in die Verpackungsanlarüstung möglich sein zwischen verschiede- ge gegeben werden. Dabei ist Fingerspitnen Spritzenträgern sowie zwischen Sprit- zengefühl gefragt, denn gläserne Spritzen
zenformaten von 0,5 bis 10 Milliliter.
sind leicht zerbrechlich.
Mithilfe eines Baukastenprinzips ist RoWeber erklärt: „Entsprechende Handlingbotronic in der Lage, in einer Zelle Roboter maschinen gibt es schon lange am Markt.
mit weiteren Elementen wie Transportbän- Was die MRTs von Robotronic einzigartig
dern, Kamerasystemen oder Linearachsen macht, ist ihre kompakte Bauweise. Eine
zu kombinieren. Dabei setzt das Unterneh- ähnliche Maschine von einem anderen
men auf Roboter von Mitsubishi. Mike We- Hersteller braucht in etwa drei- bis viermal
ber, Eigentümer und Geschäftsführer von so viel Platz. Und gerade daran mangelt es
Robotronic, erklärt: „Bei Konstruktion und in der Regel in der Produktion, was die verBau können wir mit dem Baukastenprin- fügbare Fläche extrem teuer macht.“
zip viel Zeit sparen. Das Grundgerüst steht
In der Spritzenhandling-Lösung komimmer und muss lediglich entsprechend men zwei Mitsubishi-Electric-Roboter vom
den Anforderungen angepasst werden. Die Typ Melfa RV-4FL zum Einsatz, kompakte
D
Überkopf-Knickarmroboter mit sechs Achsen. Es sind keine weiteren mechanischen
Elemente wie Hub- oder Drehkomponenten nötig. Mike Weber sagt dazu: „Wir legen Wert darauf, nur in Ausnahmefällen
zusätzliche mechanische Elemente zu verwenden, die potenziell störanfällig sind. Ein
Roboter läuft in der Regel jahrelang ohne
Zwischenfälle.“
Zuführung per Drehturm
Bestandteil der Lösung ist eine Zuführung
für die Tubs, also die tiefgezogenen Kunststoffbehälter, in denen sich die Kämme
oder Nester zum Transport befinden. Normalerweise kommen hierbei Förderbänder
ins Spiel, die einen vergleichsweise hohen
Platzbedarf haben.
Robotronic hingegen setzt einen eigens
entwickelten Drehturm ein, der auf dem
gleichen Grundgerüst wie die Roboterzelle basiert, mit der er verbunden ist. Auf der
Außenseite wird der Turm von Hand mit bis
zu zehn vollen Tubs beladen, bevor er sich
um 180 Grad dreht und per Roboter entleert wird.
Von der Entleerungsschiene gelangen die Spritzen
in die Endverpackungsanlage.
Handling in der Pharmaindustrie | SPECIAL MEDIZINTECHNIK | 023
„Durch die Stapelung
der Tubs im Drehturm können wir den Platzbedarf im
Vergleich zu einer Förderstrecke stark reduzieren“,
erklärt Weber. „Wir verarbeiten zweieinhalb Tubs beziehungsweise 400 Spritzen pro Minute. Der Turm
fasst insgesamt zehn Tubs.
Er muss also alle vier Minuten nachgeladen werden. Optional ist auch
ein Drehturm für 20 Tubs erhältlich. Um die
gleiche Autonomie mit einem Förderband
zu erzielen, müsste das Band vier Meter
lang sein. Mit dem MRT schaffen wir diese
Leistung mit einem Meter.“
Die Bewegungssteuerung
Alle in der Antriebslösung eingesetzten
Motion-CPUs sind Bestandteil der iQ-Platform, einer Multi-CPU-Plattform von Mitsubishi. Neben den CPUs für die zwei Roboter
und einer SPS ist für den Drehturm ein Servomotor nebst Motion-CPU im Einsatz.
Die Besonderheit dieser Lösung besteht
darin, dass die Roboter nicht nur über Kopf
hängend, sondern auch zu zweit auf engstem Raum zusammenarbeiten.
Die beiden Roboter sind für das komplette Handling von Tubs, Trägern – also Nestern oder Kämmen – sowie der verschiedenen Spritzenformate verantwortlich. Der
Prozessablauf bei Kämmen, in denen die
Spritzen hintereinander in mehreren Reihen hängen, sieht wie folgt aus: Roboter A
greift zunächst einen Tub aus dem ersten
Turmschacht und stellt ihn in die vorgesehene Station. Dort entnimmt Roboter B
den Kamm und Roboter A bringt den leeren Tub zurück in den Drehturm.
Roboter B fährt mit dem Kamm an die
Entleerungsschiene, kippt ihn leicht und
taktet die Spritzen durch. Von der Schiene
durchlaufen die Spritzen den regulären Verpackungsprozess. Anschließend legt Roboter B den leeren Kamm in einer separaten
Station ab, von wo aus ihn Roboter A aufgreift und zum Tub in den zweiten Turmschacht legt.
Dass die Anlage sowohl Kämme als auch
Nester verarbeiten kann, ist laut RobotronicGeschäftsführer Weber eine Besonderheit in
der Branche. Die Nester verfügen über eine
wabenförmige Struktur, in deren einzelnen
Öffnungen die Spritzen hängen. Für das
Handling sind hierbei Vakuumgreifer nötig.
Die Maschine lässt sich innerhalb weniger Minuten umrüsten. Das Handling selbst
Die zwei gängigsten Spritzenträger sind normierte
Nester (oben) und Kämme
(unten), die jeweils 160 SpritBilder: Mitsubishi
zen fassen.
unterscheidet sich wie
folgt: Auch hier setzt Roboter A zunächst den
Tub in die erste Station.
Roboter B entnimmt das
Nest mittels Vakuum,
bewegt es zur zweiten Station und stellt
es dort in einen Stufenblock, über den die
Spritzen leicht angehoben werden. Mit einem speziellen Greifer fährt Roboter A an
die Waben des Nestes, nimmt die Spitzen
am Finger Flange auf und fährt mit ihnen
an die Entleerungsschiene, wo er, ähnlich
wie bei den Kämmen, die Reihen zur Entleerung durchtaktet. Anschließend stellt
Roboter A Nest und Tub als Leergut in den
zweiten Turmschacht der Drehstation.
Maximal lassen sich mit dieser Lösung bis
zu 600 Stück pro Minute verarbeiten. Dazu
wird die Anlage um eine Zusatzachse erweitert, angetrieben von einem MitsubishiElectric-Servomotor MR-J4.
Die Zusatzachse erlaubt einen schnelleren Entleerungsvorgang: Der Roboter
selbst fährt nicht länger an die Entleerungsstation, um die Spritzen in Reihen durchzutakten, sondern alle Spritzen werden
in einem Durchgang mit einer 180-GradKippbewegung aus dem Kamm in ein
Gegenstück entleert, das sich auf der Servoachse befindet.
Weiterentwicklung im Gange
Robotronic will künftig die Umrüstungsoption auf ein drittes Trägerformat, auf sogenannte „Rondo Trays“, anbieten. Das sind
300 Millimeter lange, flache, wellenförmige Kunststofftabletts, in denen die Spritzen
nebeneinander eingeklipst werden.
Zudem arbeite man an einer Lösung,
in der die Spritzen berührungslos auf einer Förderstrecke in die nächste Maschine gelangen. Die Verwendung von Glas in
der Arznei- und Lebensmittelproduktion
stellt ein Risiko dar, da Glasbehälter durch
Zusammenstöße leicht Schaden nehmen
können. Bei den Spritzen könnte beispielsweise die Fingerauflage beschädigt werden und Glaspartikel in die Flüssigkeit gelangen.
Mit der neuen Lösung reagiert Robotronic auch auf die „No-Glas-Contact“-Empfehlung der US-amerikanischen Food and
JBI |
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024 | SENSORIK & BILDVERARBEITUNG | Vision-Sensoren
C O D E L E S E R W A H L W E I S E M I T I N N O V AT I V E M P O L A R I S AT I O N S F I LT E R
Hochoptimiert für
spiegelnde Oberflächen
Bildverarbeitung findet auf ganz unterschiedlichen Stufen der Automatisierung statt. Eine interessante Geräteklasse sind
Vision-Sensoren, bei denen es sich um integrierte Bildverarbeitungslösungen handelt. Das Beispiel eines neuen Codelesers
für 1D- und 2D-Codes demonstriert, wie hochentwickelt Vision-Sensoren heute sein können.
V
ision-Sensoren haben sich innerhalb
weniger Jahre zu unverzichtbaren
Komponenten der Fabrikautomation entwickelt. Im Gegensatz zu
diskret aufgebauten größeren Bildverarbeitungssystemen sind alle erforderlichen Komponenten in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Der Vorteil besteht darin, dass man
sich keinerlei Gedanken über das Zusammenwirken der verschiedenen Systemkomponenten und über die Vorgänge im Inneren der Geräte machen muss. Die Bedienung
und Handhabung ist ähnlich einfach wie bei
einem herkömmlichen Sensor, und auch die
Integration von Vision-Sensoren in die Anlagen und Maschinen sollte ebenso einfach
von der Hand gehen. Voraussetzung dazu
ist natürlich die Ausstattung mit geeigneten
Schnittstellen. Neben klassischen Schnittstellen wie RS232 oder Digital-IO sollten zeitgemäße Anschlussmöglichkeiten für einen
Feldbus beziehungsweise Industrial Ethernet
nicht fehlen. Durch die vergleichsweise kleinen Abmessungen von Vision-Sensoren darf
man sich nicht über deren Leistungsfähigkeit
täuschen lassen. Hocheffiziente schnelle Embedded- und Signalprozessoren verleihen
den Multitalenten eine erstaunliche Rechen-
Lesung von bis zu vier Codes in einer Bildaufnahme.
VON DR.-ING. TIM WEIS
geschwindigkeitslesungen von 100 Lesungen pro Sekunde beziehungsweise Bandgeschwindigkeiten bis 10 Meter pro Sekunde.
Codeleser OPC120P: Zuverlässige Lesung auf spieBilder: Pepperl+Fuchs
gelnden Oberflächen. power und erlauben komplexe Auswertungsprozesse und Datenmanipulationen.
Die Firmware lässt sich jederzeit updaten, so
dass neue Funktionen implementierbar sind
und aktuelle Industriestandards zeitnah unterstützt werden können. Auch kundenspezifische Erweiterungen sind denkbar.
Die Codeleser der Serie OPC120 demonstrieren anschaulich, welche Leistung, Funktionsvielfalt und weitergehenden Möglichkeiten solche Hightech-Vision-Sensoren dem
Anwender bieten. Bei den Geräten aus dem
Hause Pepperl+Fuchs handelt es sich um stationäre Lesegeräte zum Erfassen und Decodieren von 1D- und 2D-Codes wie Barcodes
oder DataMatrix-Codes. In einem nur 70 Millimeter breiten, 70 Millimeter hohen und 54
Millimeter tiefen Gehäuse sind jeweils ein
CMOS-Bildaufnehmer, eine LED-Blitz-Beleuchtung sowie eine Auswerte-Einheit untergebracht. Der Codeleser liest die aktuell
relevanten Code-Symbologien und steht in
zwei Versionen zur Verfügung. Bereits mit der
günstigen Ausführung OPC120W lassen sich
zahlreiche Standardaufgaben mit normalen
Anforderungen an die Lesegeschwindigkeit
lösen. Der OPC120P hingegen ist quasi die
High-End-Ausführung und erreicht Hoch-
Polarisationsfilter-Technologie
eliminiert Reflexionen
Eine typische Schwachstelle optischer Sensoren sind Beeinträchtigungen durch ungünstige Reflexionen, die sowohl von Fremdlicht
als auch von der eigenen Kamerabeleuchtung herrühren können. Spiegelungen lassen sich selten hundertprozentig ausschließen, denn sie sind von etlichen Faktoren
abhängig. Dazu gehören der Lesewinkel des
Codelesers, der Winkel der Lichtquelle sowie die Ausrichtung und Beschaffenheit der
Oberfläche, auf der sich der zu erfassende
Code befindet. Als besonders schwierig einzustufen sind Codes, die sich auf runden, gewölbten oder zylinderförmigen Gegenständen aus spiegelnden Materialien befinden,
zum Beispiel Metallkugeln oder Metallrohre.
Denn hier können in einer Lesung stets verschiedene Lesewinkel gleichzeitig auftreten.
Um fehlerhafte Lesungen auszuschließen,
haben die Entwickler von Pepperl+Fuchs
den OPC120P mit einer einzigartigen Polarisationsfilter-Technologie ausgestattet. Sie
eliminiert schädliche Spiegelungen und ermöglicht sichere Lesungen, auch wenn sich
Codes auf stark reflektierenden Oberflächen
wie Metallen, Kunststoffen, Leiterplatten
oder unter Folien befinden.
Der außergewöhnlich große Leseabstandsbereich von 70 bis 180 Millimeter trägt wesentlich zur Leistungsfähigkeit und Flexibilität des Vision-Sensors bei. Der OPC120P ist
in der Lage, Codes auf reflektierenden Oberflächen und in verschiedenen Entfernungen
ohne mechanische Umfokussierung oder
Parameteränderung zu lesen. Damit erlaubt
das System einen besonders flexiblen und
unkomplizierten Einsatz. Weder seitliche Zu-
D-985-CF21 Test 3841 94x270_D-985-CF21 Test 3841 94x270 24.02.14 17:09
Vision-Sensoren | SENSORIK & BILDVERARBEITUNG | 025
chainflex hält:
53 Mio. Hübe
getestet
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satzbeleuchtungen, noch einstellbare Optiken sind erforderlich, wie
es bei anderen Lesegeräten in schwierigen Situationen üblich ist.
Zahlreiche weitere Eigenschaften der Vision-Sensoren tragen dazu
bei, die Ausfallsicherheit und Produktivität von Maschinen signifikant
zu erhöhen. Die Codeleser erkennen nicht nur 1D- und 2D-Codes,
sondern sind darüber hinaus in der Lage, die Anwesenheit von veränderlichen Texturen und statischen Grafiken zu überprüfen. Die Funktion „Anwesenheitserkennung“ stellt sicher, dass sich veränderliche
Texturen wie Haltbarkeits- und Herstellungsdaten wirklich an einer
vordefinierten Stelle befinden, beispielsweise auf Lebensmittelverpackungen. Über die sogenannte Logoerkennung wiederum lassen sich
unveränderliche Merkmale wie Firmenlogos erkennen und überprüfen. Ebenso beherrscht der Leser auch das Lesen langer Codes durch
Multiaufnahmen, wenn er mit langen Codes konfrontiert wird, die
nicht auf eine Aufnahme passen. Bis zu sechs aufeinanderfolgende
Aufnahmen setzt das Gerät automatisch zusammen und kann so ex
trem lange Codes oder solche auf runden Gegenständen decodieren.
Vielfach müssen mehrere Codes bei einer Applikation gelesen werden. Der OPC120 ermöglicht dabei die Lesung von bis zu vier Codes
in einer Bildaufnahme. Zudem lassen sich nicht nur Codes lesen, sondern auch bis zu vier Aufgaben, zum Beispiel die Anwesenheits- und
Logoerkennung bei einer Bildaufnahme, durchführen.
Profinet-Anschluss mit integriertem Switch
Der OPC120 ist mit allen wichtigen Schnittstellen-Varianten erhältlich,
so dass einer reibungslosen Integration in Anlagen und Maschinen
nichts entgegensteht. Dazu zählen RS232, digitale Ein-/Ausgänge, Anschlussmöglichkeit für einen Drehgeber oder Trigger-Sensor, Ethernet
TCP/IP und als neueste Ergänzung nun auch Profinet. Das Industrial
Ethernet unterstützt eine Übertragungsrate von 100 Mbit pro Sekunde und erfüllt die Echtzeitanforderungen gemäß Profinet IO RealTime Conformance Class A. Idealerweise haben die Entwickler gleich
einen 2-Port-Switch integriert, der eine direkte Weiterverbindung zum
nächsten Profinet Device ermöglicht. Damit lassen sich ohne zusätzliche Feldanschaltungen beziehungsweise Switches Vernetzungen in
Linientopologie realisieren. Sämtliche Konfigurationseinstellungen
des Vision-Sensors sind via Profinet erreichbar, wobei als Front-End
zum Parametrieren die Windows-Software Vision Configurator dient.
Zu den weitergehenden Möglichkeiten der Codeleser gehören Zugriff auf den Fehlerbildspeicher, Ausgabe der Code-Qualität sowie die
Manipulation und Formatierung der Ergebnis-Strings.
Fazit: Mit hoher Erkennungsleistung und einer Fülle an wertvollen
Zusatzfunktionen lassen die Codeleser der Serie OPC120 nahezu keine Wünsche offen. Dank der beiden Grundmodelle mit unterschiedlichen Zielrichtungen gilt dies gleichermaßen für Standardlösungen
mit Fokus auf günstigem Kosten-Nutzen-Verhältnis wie auch für
schwierige Applikationen. Durch die innovative PolarisationsfilterTechnologie sind 1D- und 2D-Codes jetzt auch auf stark spiegelnden
Trägermaterialien lesbar, was Ausfälle und ungültige Lesungen aus
solchen Gründen weitgehend eliminiert und die Anlagenzuverlässigkeit erhöht. Der neue Codeleser verdeutlicht, dass Vision-Sensoren
dieser Kategorie aus der Fabrikautomation nicht mehr wegzudenken
sind und hier noch etliches Rationalisierungspotenzial verborgen ist.
Mit ihrer Leistungsfähigkeit, Flexibilität und einfachen Handhabung
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werden sie fortlaufend neue Einsatzbereiche erobern.
Dr.-Ing. Tim Weis ist Produktmanager Industrial Vision Components bei
Pepperl+Fuchs, Geschäftsbereich Fabrikautomation.
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026 | SENSORIK & BILDVERARBEITUNG | Netzwerk- und Industriekameras
IP- UND INDUSTRIEKAMERAS IN PRODUKTIONSPROZESSEN
Vielfältige Aufgaben, unterschiedliche Technologien
Für Kameras in Produktionsanwendungen gilt es, oftmals zwei unterschiedliche Aufgaben zu erfüllen: Zum einen sind sie
zentraler Teil des Yield- und Qualitätsmanagements. Zum anderen überwachen sie den komplexen Produktionsablauf und
unterbrechen ihn im Störfall. Klassische Industriekameras (Machine-Vision-Kameras) übernehmen in der Regel die erstgenannte Aufgabe, während IP-Kameras die richtige Wahl für den Überwachungspart sind.
I
n modernen Produktionsanlagen kombinieren Anwender immer häufiger die
verschiedenen Kameratechnologien. Sie
setzen klassische Industriekameras für
die Inspektionsaufgaben und IP-Kameras
für das Prozess-Monitoring ein. Die Industriekameras haben dabei meist eine Gigabit-Ethernet-Schnittstelle. Sie basieren auf
der gleichen Technologie wie IP-Kameras
– dem Ethernet. Beide Kameratypen verwenden die gleichen technischen Protokolle, zum Beispiel TCP/IP oder UDP. Das
macht die Kombination einfach. Gleichzeitig sind sie aber technologisch nicht direkt vergleichbar und vom Grundgedanken
her für verschiedene Zwecke vorgesehen.
Die wichtigsten Unterschiede liegen in der
Bilddaten-Kompression,
Multistreaming
und Echtzeitfähigkeit.
Bilddaten-Kompression
IP-Kameras wurden speziell für den Einsatz
mit niedriger Bandbreite konzipiert, um
sich problemlos in bestehende Netzwerke
einzugliedern und diese nicht unnötig zu
belasten. Die Kamera wird über einen Netzwerk-PC so konfiguriert, dass sie einen kom-
Kleine und leichte Kameras wie die Basler ace eignen sich besonders für Robotik-Anwendungen.
primierten Videostream (MPEG-4, MJPEG
oder H.264) sendet. Hauptziel ist es, einen
guten visuellen Eindruck am Monitor zu erhalten. Industriekameras hingegen sind auf
hohe Bandbreite und optimale Bildqualität
in geschlossenen Bildverarbeitungssystemen ausgelegt. Das erklärt auch einen entscheidenden technischen Unterschied: die
Komprimierung der Bilddaten. Während
Netzwerkkameras die Bilddaten zu einem
Bruchteil ihres originalen Datenvolumens
komprimieren, um die Übertragungsbandbreite zu reduzieren, liefern Industriekameras Rohbilder, um dem Anwender jede
kleinste Bildinformation zu übermitteln,
da es beispielsweise bei der Qualitätsprüfung oder Vermessung auf jedes Detail ankommt. Wenn Bildinformationen fehlen,
aber der Fehler genau in diesem Bereich
liegt und deswegen nicht durch das Inspektionssystem entdeckt wird, hat das System seine Aufgabe nicht erfüllt.
Multistreaming und Echtzeitfähigkeit
IP-Kameras sind Multistreaming-fähig, das
heißt, die Kamera kann mehrere Streams in
unterschiedlichen Kompressionsformaten
(H.264, MPEG-4, MJPEG) versenden. Das passende Endgerät greift sich dann das richtige
Format. So kann zum Beispiel ein Mitarbeiter den hochauflösenden, detailgetreuen
MJPEG-Stream am Monitor sehen, während
gleichzeitig die Daten im speicherplatzfreundlichen H.264-Format archiviert werden. Bei Industriekameras nutzt man verarbeitete, bereits ausgewertete Daten und
verwendet diese beispielsweise für Produktionsstatistiken, Optimierung der Anlagenleistung oder für die Anpassung der Anlage
bei wiederkehrenden Fehlern. In der Regel
speichert man sie erst nach der Inspektion.
VON EVA TISCHENDORF
Bilddaten müssen in Produktionsanwendungen innerhalb eines definierten
Zeitrahmens übertragen beziehungsweise ausgewertet werden. Dies bezeichnet
man als Echtzeitfähigkeit. Die Anforderungen an die maximal zulässige Reaktionszeit
zwischen Trigger-Signal und Bildaufnahme
sind je nach Anwendung durchaus unterschiedlich und können von wenigen Mikrosekunden bis zu Sekunden betragen.
Bei der Produktionskontrolle von Bauteilen
beispielsweise transportiert man die Teile
mit großer Geschwindigkeit über die Förderbänder. Für eine präzise Kontrolle muss
die Kamera ihre Bilder genauso schnell aufnehmen, wie Bauteile auf dem Band geliefert werden. Entscheidend für die Qualität
des Bildes ist dabei eine möglichst geringe
Latenz, das heißt, ein möglichst geringer
Zeitverzug zwischen Empfang des TriggerSignals und Bildeinzug. Außerdem darf dieser Zeitverzug nicht variieren, es darf hinsichtlich der Zeitpunkte der Bildaufnahmen
kein Jitter auftreten. Bei einer Anwendung
mit hohen Bildraten, zum Beispiel 300 Bildern pro Sekunde, bewegt man sich bei
den geforderten Latenzzeiten im Bereich
von Mikrosekunden. In vielen typischen
Überwachungssituationen soll die Kamera hingegen kontinuierlich Bilder aufnehmen, ohne dass sie getriggert wird. Ist die
Kamera beispielsweise auf 30 Bilder pro Sekunde eingestellt, generiert sie intern alle
benötigten Signale und nimmt somit die
Bilder automatisch auf. Im Gegensatz zu
den meisten Netzwerkkameras ist in BaslerIP-Kameras eine Echtzeit-Trigger-Funktion
eingebaut. Sie garantiert eine Bildaufnahme genau dann, wenn ein Trigger-Signal
gegeben wurde. Bei Bildraten, wie sie für
IP-Kameras typisch sind, bewegt man sich
Netzwerk- und Industriekameras | SENSORIK & BILDVERARBEITUNG | 027
SENSORS SAFETY RFID
Der Kamerahersteller Basler
hat sowohl klassische Industrie- als auch
IP-Kameras im
Programm.
Bilder: Basler
INDUKTIVSENSOREN
FULL INOX
BASIC
ROBUSTE INDUKTIVSENSOREN
FÜR EINSTEIGER
hinsichtlich der benötigten Latenzzeiten im
Bereich von Millisekunden.
Trotz der unterschiedlichen Technologie
und Zielsetzung bieten sich für viele Anwendungsfälle beide Kamera-Typen an. Es gibt
inzwischen sogar Lösungen, die IP-Kameras
und GigE-Industriekameras in einem einzigen Ethernet-basierten System betreiben
und über die gleiche Software bedienen.
Und es ist gut vorstellbar, dass sich solche
Konstellationen künftig stärker verbreiten.
Henning Tiarks, Leiter Produktmanagement
bei der Basler AG, die sowohl Industrie- als
auch IP-Kameras anbietet, beobachtet: „Wir
sehen, dass die früher recht strikt getrennten
Märkte näher zusammenrücken und sich
inzwischen an mehreren Punkten berühren. Zum einen ähneln sich die Anforderungen im Bereich der Kamera-Features stärker.
Bei beiden Kameratypen wird zum Beispiel
Farbtreue oder Pre-Processing gefordert.
Zum anderen sehen wir beim Kunden den
Bedarf, beide Kameratypen einzusetzen,
jede für ihren Zweck. Wir versuchen bei der
Produktentwicklung, das Beste aus beiden
Welten zu vereinen und beraten den Kunden entsprechend bei der Kamera-Auswahl.“
Anwendungsbeispiel Papierindustrie
In der Papierindustrie wird das Ganze heute schon gelebt. Ähnliche Konzepte gibt
es auch in der Stahl- oder Folienproduktion. Die Anlagen sind hier extrem weitläufig
und bestehen aus mehreren aufeinanderfolgenden Prozessschritten. Sie kombinieren mehrere Sub-Systeme, die Produkte
wie Papierbahnen einander übergeben
müssen. Hier überwachen IP-Kameras die
einzelnen Prozessschritte und die Übergabe der Produkte an die nächste Maschine.
Damit gewährleisten sie das optimale Zusammenspiel aller Anlagen, können Gefahren- oder Störquellen identifizieren, einen
Produktionsstopp veranlassen und helfen, die Maschinen-Einstellungen zu optimieren. Hakt es beispielsweise öfters an
der gleichen Stelle, müssen die Ingenieure noch einmal Hand anlegen. Gleichzeitig
arbeiten klassische Kameras innerhalb der
einzelnen Inline-Systeme und prüfen Qualität, Vollständigkeit oder Maße.
Anwendungsbeispiel Robotik
In der Robotik kommen schon lange Bildverarbeitungssysteme zum Einsatz, die
den Robotern das „Sehen beibringen“.
Denn Roboterarme können nur mithilfe
von Bildverarbeitung und Kameras hochpräzise greifen und positionieren und genaueste Bewegungsabläufe gewährleisten. Typischerweise werden in Robotern
kleine und leichte Industriekameras wie
die Basler ace eingesetzt. Sie sind ideal geeignet für „Pick-and-Place“-Anwendungen,
zum Beispiel dem Greifen, Montieren oder
Positionieren bei der Leiterplattenbestückung. Aber auch zur Vermessung und
Qualitätskontrolle von unterschiedlichen
Produktmerkmalen zwischen und während aller Fertigungsschritte werden Industriekameras eingesetzt.
Ein zentrales Thema in Robotik-Anwendungen ist die Sicherheit im Produktionsprozess. Früher wurden die Bereiche um die
arbeitenden, rotierenden Roboter mit Absperrungen umbaut, damit kein Mitarbeiter
in den Gefahrenbereich gerät. Diese Bauten
sind aufwändig, teuer und unflexibel. Heute löst man das Ganze virtuell mit Hilfe von
IP-Kameras: Man platziert sie über dem Roboter und zieht einen „virtuellen Käfig“ per
Markierungen auf dem Boden. Die Kamera
überwacht dann diese markierte Zone und
kann die Maschine stoppen, wenn Material
oder ein Mitarbeiter in den Arbeitsbereich
des Roboters geraten.
In der Praxis verschwimmen also die
Grenzen zwischen den Kameratechnologien. IP-Kameras, die klassischerweise eher
im Überwachungsbereich zu finden waren,
werden immer öfter auch im industriellen
Kontext eingesetzt und unterstützen dort
Prozess-Monitoring und Produktionsabläufe. Bei einigen Kameraherstellern, unter
anderem Basler, erhalten Kunden die verschiedenen Kameras samt Zubehör aus einer Hand und können sich damit auf das
optimale Zusammenspiel aller Komponenten verlassen.
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028 | SENSORIK & BILDVERARBEITUNG | Druckmesstechnik
Der Drucktransmitter F01 erfüllt die
international geltenden Normen für
sicherheitskritische Anwendungen.
Bild: STW
D R U C K S C H A LT E R I N S I C H E R H E I T S K R I T I S C H E N A N W E N D U N G E N
Von den Normen geformt
Auf dem Markt gibt es eine unüberschaubare Zahl verschiedener Druckschalter: vom günstigen Modell bis hin zur komplexen Ausführung für sicherheitskritische Anwendungen. Hier gelten internationale Normen, die diverse Methoden zur Beherrschung von systematisch und zufällig erkannten Fehlern fordern.
D
ruckschalter für den Einsatz in sicherheitskritischen Anwendungen erfordern bereits in der Entwicklung höhere Anforderungen
als Standard-Schalter. Diese beeinflussen
entsprechend auch den Signalweg innerhalb des Geräts sowie Auswertung und
Ausgabe.
Die bis 2011 gültige Norm EN
954 wurde durch die DIN EN
ISO 13849 ersetzt. Diese gilt für
alle Arten von Maschinen. Ihr
Schwerpunkt liegt auf der Beschreibung allgemeiner Gestaltungsleitsätze sicherheitsbezogener Teile sowie deren
Validierung. Die Risikoauswertung erfolgt, wie auch schon
bei der EN 954, über einen Risikographen und führt zu einem PLWert (Performance Level).
VON MICHAEL SIEBER
Die Einstufung geht von a (niedriger Beitrag zur Risikoreduzierung) bis zu e (hoher
Beitrag zur Risikoreduzierung). Im Unterschied zur EN 954 lässt die ISO 13849 je-
doch mehrere Wege zum Erreichen eines
bestimmten PL-Wertes, sogenannte Kategorien, zu. Je nach Anforderung des Gesamtsystems sind statt der ISO 13849 die
IEC 62061 beziehungsweise IEC 61508 (Einstufung nach SIL – Safety Integrity Level)
oder für automotive Systeme die ISO 26262
(Einstufung nach ASIL) zu berücksichtigen.
Wenn in einem System die Einstufung
nach PLd Kategorie 2 genügt, ist es
ausreichend, wenn der Druckschalter über nur ein Sensorelement
verfügt, sofern der Diagnoseabdeckungsgrad (DC) hoch genug
und der Zeitraum bis zum ersten
kritischen Fehler (MTTFd) entsprechend lang ist.
Die Basis bildet eine DünnschichtDruckmesszelle mit Titan-Oxinitrid
(TiON) als Dünnschichtmaterial.
Bild: STW
Druckmesstechnik | SENSORIK & BILDVERARBEITUNG | 029
Da unter anderem das Langzeitdriftverhalten der verwendeten Messzelle maßgeblich für den MTTFd-Wert ist, spielt diese hier
eine zentrale Rolle. Mit einer entsprechend
hochwertigen Dünnschichtmesszelle lässt
sich ein kostenoptimiertes einkanaliges
System in Kombination mit einer Überwachungseinheit (DC-Subsystem) realisieren.
Messzelle aus Dünnschichtmaterial
Die Basis des von Sensor-Technik Wiedemann (STW) entwickelten Druckschalters
F01 bildet die eigene Dünnschicht-Druckmesszelle. Als Dünnschichtmaterial wird
bei dieser Messzelle Titan-Oxinitrid (TiON)
eingesetzt, das gegenüber der sonst genutzten Nickel-Chrom-Dünnschicht verschiedene Vorteile hat. Zwei entscheidende Vorteile sind der deutlich höhere
Temperaturbereich bis +200 Grad Celsius und der 2,5-mal höhere k-Faktor. Dieser
höhere k-Faktor ermöglicht eine deutlich
stärkere Membran, so dass die Druckmesszellen einen Berstdruck von bis zum Zehnfachen des Nenndrucks aufweisen.
Gerade im Bereich der funktionalen Sicherheitsanwendungen ist dies ein nicht
zu unterschätzender Vorteil. Da die Messzelle mit dem Vorsatzteil verschweißt wird
und somit kein Dichtring eingesetzt werden muss, ist eine hohe Medienverträglichkeit gewährleistet.
Auf der elektrischen Seite wird die Messzelle mittels Bonddrähten an die Elektronik angebunden. Da die Bonddrähte einen
Durchmesser von nur 50 Mikrometer haben (und damit kaum Masse mitbringen),
widerstehen sie auch den in der Mobilhydraulik üblichen Vibrationen und Schocks.
Die Messzelle selbst wird durch die Elektronik entsprechend überwacht, so dass
auch ein Drift bei Berücksichtigung einiger Randbedingungen zuverlässig detektiert werden kann. Bei der A/D-Wandlung
des Messsignals wird durch einen zweiten,
weniger genauen Wandler der Messwert
verifiziert. Die beiden Ergebnisse werden
in einem Prozessor verglichen, um Abweichungen zu erkennen. Auch die beiden
Ausgangssignale werden intern auf Konsistenz überprüft und von der übergeordneten Steuerung ausgewertet.
Bei einem erkannten Fehler werden die
Ausgänge abgeschaltet, um der Steuerung
zu signalisieren, dass der Druckschalter
nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert.
Optional steht zu dem ersten Schaltausgang ein zweiter antivalenter Schaltausgang oder alternativ ein analoges, druck-
proportionales 4- bis 20-mA-Signal zur
Verfügung.
Da der Analogausgang beim F01 nur einkanalig ausgeführt ist, muss die Sicherheit
bei der Übertragung des Signals genau betrachtet werden.
Höheres Sicherheitslevel
Schwieriger wird es, wenn der Drucktransmitter ein Performance-Level PLe aufweisen muss. Ein solcher Level kann nur über
die Kategorie 3 oder 4 realisiert werden.
Dabei sind zwei Sensoren notwendig, die
den Messwert aufnehmen. Theoretisch ist
dies einfach, erfordert in der Praxis jedoch
einige Überlegungen, um die Verfügbarkeit
des Systems nicht einzuschränken.
Durch den Einsatz von zwei Druckmesszellen ist es möglich, auch einen Drift der
Messzelle sowie einen Überdruck zu detektieren, auch wenn das System nicht drucklos geschaltet werden kann.
Der Überdruck lässt sich auch dann feststellen, wenn dieser nicht von der Elektronik erkannt wird, weil er nur eine extrem
kurze Zeit anlag. Die Signale dieser beiden
Messzellen werden jeweils von einer Elektronik aufgenommen, die ähnlich arbeitet,
wie zuvor beschrieben. Der Unterschied
besteht darin, dass sich die beiden Elektroniken gegenseitig überwachen und so Fehler frühzeitig erkannt werden.
Dabei kann zwischen Fehlern unterschieden werden, die kritisch sind (also zum Abschalten der Anlage führen) oder weniger
kritisch (der Transmitter muss erst später
Blockschaltbild der Sensor-Elektronik (Performance Level d
Bild: EN ISO 13849-1:2006 (D)
Kategorie 2).
Blockschaltbild der Sensor-Elektronik (Performance Level d
Bild: EN ISO 13849-1:2006 (D)
Kategorie 3).
gewechselt werden, falls der Fehler wiederholt auftritt). Dabei ist es wichtig, dass
bei kritischen Fehlern auch die Ausgänge
in einen sicheren Zustand schalten. Ein weniger kritischer Fehler kann beispielsweise
dadurch signalisiert werden, dass die Ausgänge nur für einen bestimmten Zeitraum
abgeschaltet werden.
Bei Drucksensoren/-schaltern, die in PLeApplikationen eingesetzt werden, sind die
Anforderungen gerade hinsichtlich der
Fehlererkennung deutlich höher. Der Ausgang muss entweder zweikanalig ausgeführt oder aber mittels Sicherheitsprotokoll
(beispielsweise CANopen-Safety) realisiert
werden. Bei einer doppelkanaligen Ausführung in Analogtechnik werden die Ausgänge invertiert realisiert, um eventuell
auftretende Leckströme zuverlässig in der
übergeordneten Steuerung erkennen zu
können.
Für mobilhydraulische Anwendungen
Der F01 ist speziell für den Einsatz in den
rauen Umgebungsbedingungen mobilhydraulischer Anwendungen entwickelt. Neben den klimatischen und chemischen Belastungen sind dies vor allem EMV-Einflüsse
JBI |
und Vibrationen. In dieser Anwendung mobiler Hydraulik hilft ein
normgerechter Drucktransmitter, Aufwände zu verBild: Liebherr
meiden.
Michael Sieber leitet den Vertrieb Messtechnik
und Sensorik bei Sensor-Technik Wiedemann
in Kaufbeuren.
030 | SENSORIK & BILDVERARBEITUNG | Optische und induktive Sensoren
S E N S O R E N O N L I N E AU S WÄ H L E N U N D B E S T E L L E N
Universalschlüssel zu
geringeren Betriebskosten
Der E-Commerce-Handel boomt seit Jahren. Was in vielen Branchen gang und gäbe ist, bietet das Unternehmen autosen
jetzt auch für die Automatisierungsbranche an. Über die Website autosen.com können Kunden optische und induktive
Sensoren mit einem attraktiven Preisvorteil einkaufen.
E
insparungen durch den Einsatz kompatibler Substitutionsprodukte sind
in vielen Branchen gang und gäbe.
So sparen die gesetzlichen Krankenkassen in Deutschland jedes Jahr durch die
Verschreibung von Generika rund zehn Milliarden Euro. Mit Medikamenten also, die
dieselben Wirkstoffe und Wirkung aufweisen wie patentierte Originalpräparate, jedoch erheblich günstiger sind.
Was dem Gesundheitswesen recht ist,
sollte der Industrie billig sein, so das Konzept von autosen, einem Spezialisten für
optische und induktive Sensoren. Das Essener Unternehmen lässt bei einem führenden Hersteller Sensoren nach gängigen Industriestandards und den eigenen
Qualitätsrichtlinien fertigen und vertreibt
diese ausschließlich über das Internet. Die
eingesparten Vertriebskosten reicht der
Anbieter an seine Kunden weiter, die einen
Preisvorteil von bis zu 50 Prozent realisieren
können. Das sind zwar auch in der Summe
keine Milliarden, kann aber vor allem in den
Unternehmen einen erheblichen Posten
Sensoren per Web auswählen und bestellen: Ein Online-Tool
prüft unter autosen.com die Kompatibilität und eröffnet
Bild: autosen
Einsparpotenziale.
VON PHILIPP BOEHMERT
ausmachen, bei denen Sensoren aufgrund
rauer Umgebungsbedingungen mehr oder
weniger zu den Verbrauchsartikeln zählen
und in hohen Stückzahlen in der Produktion zum Einsatz kommen. Werkzeugmaschinenhersteller gehören beispielsweise dazu,
aber auch die fleischverarbeitende Industrie mit ihren strengen Hygieneanforderungen und entsprechenden Reinigungsprozeduren. Wie die Pharmaunternehmen
bei ihren Generika legt autosen bei seinen
Produkten größten Wert auf Funktionssicherheit und Qualität: Viele der optischen
und induktiven Sensoren gehören zur besonders widerstandsfähigen High Resistance Class. Diese sind für den Einsatz unter extremen Bedingungen ausgerüstet.
Zum Schutz vor aggressiven Reinigungsmitteln, Belastungen durch Öle und Kühlschmiermittel oder harte mechanische Einflüsse werden robuste Gehäusematerialien
eingesetzt und ein durchgehendes Dichtungskonzept vom Sensor bis zum Steckverbinder verfolgt. Trotz der aufwändigen
Produktion wird jeder einzelne Sensor vor
Auslieferung sorgfältig stückgeprüft.
Während man in vielen Unternehmen
Beschaffungspreise auf den Prüfstand stellt,
bleiben Konditionen für Sensoren trotz
hohem Preisniveau häufig unangetastet,
ohne nach günstigeren Alternativen Ausschau zu halten. Eine mögliche Ursache
dürfte die Unsicherheit sein, ob die Produkte verschiedener Hersteller trotz verbindlicher Standards, Normen und Bauformen in
der Praxis interoperabel sind.
Kompatibilitäts-Check im Internet
Kompatibilität ist die wesentliche Voraussetzung für Interoperabilität und damit
für einen sukzessiven Anbieterwechsel im
laufenden Betrieb. Diese lässt sich bei autosen online schnell und unkompliziert
überprüfen. Dazu müssen nicht einmal die
detaillierten Spezifikationen mit Schutzarten und technischen Leistungen bekannt
sein. Es genügt, die Produktbezeichnung
des bisherigen Lieferanten einzugeben,
schon lassen sich per Mausklick preiswerte Alternativen finden. In der Datenbank
sind die technischen Daten aller gängigen Hersteller hinterlegt. Insgesamt über
10.000 Produkte finden sich in dem denkbar einfach zu bedienenden Tool. Der Nutzer kann nach dem Hersteller oder direkt
nach der Artikelnummer suchen. Innerhalb
von wenigen Sekunden zeigt das Tool ein
entsprechendes Vergleichsprodukt als 3DAnimation inklusive Preis, elektrischen und
technischen Daten. Alle Datenblätter stehen kompakt und übersichtlich mit allen
relevanten Vergleichskriterien wie Schaltabstand und Schutzart im DIN-A4-Format
auch zum Download zur Verfügung.
Vereinfacht wird die Suche durch eine
sinnvolle Beschränkung des Sortiments
auf das, was der Markt in nennenswerten
Stückzahlen benötigt. Exotische Produkte
für außergewöhnliche Anwendungen finden sich nicht.
Kurze Supply Chain
Auf personalkostenintensive Vertriebswege
verzichtet autosen, das Augenmerk liegt –
neben dem Anschaffungspreis – auf einer
wirtschaftlichen und einfachen Beschaffungslogistik für den Kunden. Sämtliche
Produkte werden in hohen Stückzahlen
am Zentrallager in Essen vorgehalten und
lassen sich rund um die Uhr bestellen. Die
Auslieferung erfolgt in der Regel binnen eines Werktages. Eine eigene Lagerhaltung
ist daher unnötig. Einmal geliefert, profitieren die Kunden von einer fünfjährigen Gewährleistung sowie bei Nachbestellungen
RT |
von einer Preisgarantie bis 2018. Bild: fotolia.com
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032 | SENSORIK & BILDVERARBEITUNG | Winkelsensorik
Im November 2011 ging
das Wellenkraftwerk in der
nordspanischen Gemeinde
Mutriku in Betrieb.
B
Bild: Voith
KO N TA K T LO S E W I N K E L S E N S O R I K I M W E L L E N K R A F T W E R K
Keine Angst vor rauer See
Kontaktlose Winkelsensoren, die auf magnetischen Verfahren basieren, eignen sich wegen der vergleichsweise niedrigen
Kosten für zahllose Applikationen im Maschinen- und Anlagenbau und in der mobilen Automation. Selbst in Wasserkraftwerken sind sie anzutreffen, wie eine Anwendung an der nordspanischen Küste zeigt.
VON STEFAN SESTER UND ELLEN-CHRISTINE REIFF
D
er Nutzen von Wellenkraftwerken kam wegen der hohen Kosten lange einer Spielerei am Reißbrett gleich. In einer Zeit, in der
Energie immer teurer wird und erneuerbare Energien stärker in den Fokus rücken,
beginnt sich das jedoch zu ändern. Dazu
trägt auch bei, dass sich Wellenkraftwerke
oft in ohnehin benötigte Bauten integrieren lassen – beispielsweise in Hafen- oder
Küstenschutzanlagen.
Im November 2011 ging das erste von
Anfang an kommerziell genutzte Wellenkraftwerk der Welt in der nordspanischen
Gemeinde Mutriku in Betrieb und gilt nun
als Vorbild für weitere derartige Projekte zur
nachhaltigen Energiegewinnung. Gebaut
vom spanischen Energieversorger Ente
Vasco de la Energía (EVE) und mit Technik
aus Deutschland ausgestattet, sorgt das
Wellenkraftwerk mit 16 Wells-Turbinen für
eine Gesamtleistung von 300 Kilowatt. Damit kann es etwa 250 Haushalte versorgen.
Schwingende Wassersäule
erzeugt Energie
Das Wellenkraftwerk in Mutriku arbeitet
nach dem Prinzip OWC (Oscillating Water
Column). Dabei drückt jede Welle Wasser
in kaminartige Betonröhren und mit jedem
Wellental wird das Wasser wieder herausgezogen. Am oberen Ende der „Kamine“
sind die Turbinen angebracht. Durch die
sich auf und ab bewegende Wassersäule
wird die Luft in den Betonröhren abwechselnd komprimiert beziehungsweise angesaugt. Dadurch entsteht am Auslass ein
Luftstrom, der die Turbinen treibt.
Die Turbinen, die nach ihrem Erfinder,
dem britischen Ingenieur Allen Arthur
Wells benannt sind, arbeiten unabhängig
von der Durchströmungsrichtung. Der Clou
eines solchen Kraftwerks ist, dass die Energiegewinnung aus der Wellenkraft im Gegensatz zu Gezeiten-Kraftwerken nicht an
Ebbe und Flut gebunden ist. So steht rund
um die Uhr Energie zur Verfügung und verbraucht keine Ressourcen.
Vor extremem Seegang müssen die Turbinen allerdings geschützt werden. Dazu ist
am Auslass, also zwischen Kamin und Turbi-
Winkelsensorik | SENSORIK & BILDVERARBEITUNG | 033
ne, ein elektrisch angetriebener Schmetterlings-Dämpfer angebracht, der ähnlich wie
einer Rauchklappe funktioniert. Dadurch
lässt sich der Luftstrom, der die Turbine antreibt, bei Bedarf regeln.
Gegebenenfalls kann die Turbine auch
komplett isoliert werden. Damit diese Regelung funktioniert, muss die Klappenposition überwacht und an die übergeordnete Steuerung gemeldet werden. Die
Aufgabe erfordert einen Sensor, der mit
den harten Einsatzbedingungen zurechtkommt: Salzhaltige, feuchte Luft und die
zyklischen Druckschwankungen dürfen
die zuverlässige Funktion nicht beeinträchtigen, da davon die sichere Funktion
der Turbine abhängt.
Die passende Lösung fand sich im Standardprogramm des Sensorikherstellers Novotechnik: Magnetische Winkelsensoren
der Baureihe RFC 4800 erfassen die aktuelle
Position der vor den Turbinen angeordneten Dämpfer. Der Sensor erfüllt serienmäßig die Anforderungen der Schutzart IP69
und lässt sich einfach montieren.
Einfache Integration
Die einfache Integration in die Anwendung
hängt unmittelbar mit der Funktionsweise
zusammen: Für die Winkelerfassung wird
an der drehenden Achse ein positionsgebender Magnet angebracht. Je nach Drehwinkel verändert sich die Orientierung des
Magnetfeldes und damit die Signale des
nur etwa 15 Millimeter flachen Sensors. Der
integrierte Sensor-IC rechnet diese Signal
änderung in ein drehwinkelproportionales
Ausgangssignal um und stellt es der übergeordneten Steuerung zur Verfügung.
Weil Sensorelement und positionsgebender Magnet konstruktiv voneinander
getrennt sind, vereinfacht sich die Montage, denn der Sensor kann in bis zu 1,5 Millimetern Entfernung zum Positionsgeber
platziert werden. Sogar noch größere Abstände bis etwa 4 Millimeter sind realisier-
Sensor und Positionsgeber
sind getrennt: Der Sensor
lässt sich dadurch leicht
integrieren.
Bild: Novotechnik
Prinzip: Eine sich
auf und ab bewegende Wassersäule komprimiert
die Luft in den
Betonröhren und
erzeugt einen
Luftstrom, der die
Wells-Turbinen
antreibt.
Bild: Voith
bar; hierfür steht ein verstärkter Magnet zur
Verfügung.
Bei der Anwendung im Wellenkraftwerk
ist der positionsgebende Magnet direkt an
der angetriebenen Welle des Dämpfers angebracht, während das Sensorelement am
Turbinenrahmen montiert ist.
Für den magnetischen Winkelsensor
sprachen noch weitere Fakten: Er erfasst
den Messwinkel kontaktlos, also ohne mechanischen Verschleiß und liefert absolute
Messwerte über volle 360 Grad, die er der
Steuerung als Analogsignal mit einer Auflösung von 12 Bit (in 0,009-Grad-Auflösung)
zur Verfügung stellt. Die (unabhängige) Linearität liegt bei +/- 0,3 Prozent, die Wiederholgenauigkeit bei 0,1 Grad.
Robust und unempfindlich
gegenüber Schmutz
Das Sensor-Gehäuse ist aus hochwertigem
und temperaturbeständigem Kunststoff.
Befestigungslaschen mit Langlöchern ermöglichen einen einfachen Anbau und
eine bequeme mechanische Justierung.
Der Sensor ist vollkommen vergossen
und damit unempfindlich gegenüber Verschmutzungen; dadurch beeinträchtigt ihn
weder die salzhaltige Luft noch die zyklische Druckbelastung.
Für die elektrische Verbindung sind Kabel
oder Einzellitzen vorgesehen, die in das Gehäuse eingegossen sind. Die zulässigen Umgebungstemperaturen liegen zwischen -40 und +125 Grad Celsius.
Ihren Härtetest haben die Sensoren bereits in einem anderen Wellenkraftwerk auf der Insel Islay vor
der schottischen Westküste bestanden. Die Anlage Limpet wurde
im Jahr 2000 in Auftrag gegeben
und wird heute noch als Test- und
Forschungseinrichtung betrieben.
Insgesamt hat sie mehr als 70.000
Betriebsstunden lang Strom ans
Netz geliefert, wozu auch die ein-
Je nach Drehwinkel verändert sich die Orientierung
des Magnetfeldes und damit die Signalspannung
des Sensorelements.
Bild: Novotechnik
gesetzten Sensoren mit ihrer zuverlässigen
Funktion ihren Beitrag geleistet haben.
Ihre Robustheit hilft auch in vielen anderen Anwendungen weiter: Neben industriellen Applikationen erschließt sich
ihnen auch im mobilen Bereich ein breites Einsatzfeld. Schließlich verkrafteten sie
Schwingungen und Vibrationen bis 20 g
(gemäß IEC 600658-2-6) sowie Stöße bis 50
g (6 Millisekunden, gemäß IEC 68068-2-27)
und erfüllen sämtliche in mobilen Anwendungen geforderten EMV- und EMC-Spezifikationen. Dank unterschiedlicher Mechaniken und Steckerabgängen lassen sie sich
einfach in unterschiedlichste Anwendungen integrieren.
Auch bei den elektrischen Schnittstellen
herrscht Vielfalt: von verschiedenen einund mehrkanaligen Varianten mit analogen
Schnittstellen über SPI, SSI und Inkremental bis hin zu CANopen sind alle gängigen
JBI |
Schnittstellen verfügbar. Dipl.-Ing. Stefan Sester ist Produktbereichsleiter
rotative Sensoren bei Novotechnik in Ostfildern.
Ellen-Christine Reiff, M.A., arbeitet im Redaktionsbüro Stutensee.
Ein typischer Fall für Mecaplex: Der
Flugzeughersteller beauftragt den
Verglasungsspezialisten mit Konzeption und Auslegung der Verglasung für ein Trainingsflugzeug.
D U R C H G Ä N G I G E L Ö S U N G F Ü R D E S I G N , A N A LY S E U N D D AT E N M A N A G E M E N T
Produktwissen in 3D
Schlagfeste Cockpitverglasungen für Flugzeuge und Hubschrauber sind besondere Produkte, die zu konzipieren und zu
konstruieren viel Wissen erfordern. Um dieses Wissen immer dann verfügbar zu haben, wenn es benötigt wird, setzt der
Hersteller Mecaplex auf eine 3D-Plattform für Datenmanagement, Konstruktion und Simulation.
D
aniel Reutimann, Verantwortlicher
für die digitale Konstruktion und
Entwicklung bei Mecaplex, hatte
so manche schlaflose Nacht, wenn
sich der Prüfer des Schweizer Bundesamtes
für Zivilluftfahrt ankündigte. Wollte der Prüfer etwa wissen, welche Materialien für die
Verglasungen einer Boeing-Maschine verwendet wurden, hatte Reutimann Mühe,
die gewünschten Informationen auf Anhieb zu finden. Er musste dafür in den verschiedenen Ordnern auf seinem Computer
suchen und sich daran erinnern, wie er die
entsprechenden Dateien benannt hatte.
Kommt der Prüfer heute ins Haus, bleibt
Reutimann gelassen. Dafür sorgt Enovia,
eine Software für das Datenmanagement
von Dassault Systèmes. „Sämtliche produktbezogenen Informationen sind einfach per
Knopfdruck verfügbar“, erklärt Reutimann.
Für ihn eine entscheidende Verbesserung:
„Sicherheit spielt in der Luftfahrtindustrie
eine große Rolle, daher werden wir sehr
häufig auditiert. Fehlerfreie und genau dokumentierte Prozesse sind dabei das A und
O. Mit den Anwendungen von Dassault
muss ich mir nicht mehr alles in einzelnen
Ordnern zusammensuchen, sondern habe
sämtliche Informationen zum Produkt projektorientiert und aktuell zur Verfügung.“
Wettbewerber abhängen
Auch um dem Wettbewerb einen Schritt
voraus zu sein, musste Mecaplex die De
signprozesse optimieren. Zudem helfen die
Anwendungen von Dassault den Schweizern, wichtiges Wissen im Unternehmen zu
halten, wenn Know-how-Träger aus der Firma ausscheiden. „Wir haben Mitarbeiter, die
bereits seit 30 Jahren im Unternehmen sind
VON JUTTA TREUTLEIN
und oft als einzige noch Anfragen zu Flugzeugen beantworten können, die längst
nicht mehr gebaut werden“, erklärt Reutimann. „Mit der Dassault-Plattform ‚3DExperience‘ gelingt es, sämtliche Produktdaten
und weiteres Intellectual Property für alle
Mitarbeiter zugänglich zu machen, was die
Arbeit extrem vereinfacht.“
Extreme Anforderungen
Bei Flugzeugen und Hubschraubern spielen die Verglasungen eine sehr wichtige
Rolle, um sowohl die Passagiere als auch die
Crew vor einer Vielzahl widriger Bedingungen von außen zu schützen. Zum Beispiel
sind die Cockpits starken Windbeschleunigungen und Turbulenzen ausgesetzt. Sie
müssen nicht nur Vogelschlag standhalten,
sondern auch starken Unterschieden von
bis zu – 60 Grad Celsius Außentemperatur
Integriertes Datenmanagement | PRODUCT LIFECYCLE MANAGEMENT | 035
ruktionen setzt Mecaplex Catia
und Delmia von Dassault ein.
Auf dieser Basis werden sämtliche Vorschläge validiert, einschließlich der Durchbrüche,
Verschraubungen und Verklebungen sowie des gesamten
Einbaus und der dafür benöDie Verglasung passt sich ins Komplettmodell des Flugzeugs ein.
tigten Werkzeuge und NC-Programme.
und + 20 Grad Celsius Innentemperatur
Die Fräsbearbeitung der Scheiben vertrotzen. Neben schlagfesten Verglasungen langt nach einer sehr diffizilen Vorgehensmüssen diese anti-UV-beschichtet sein, um weise, angefangen bei der Programmieden Insassen Schutz vor UV-Strahlung zu rung über die Aufspannung bis hin zur
Endbearbeitung. Um dies sicherzustellen,
gewähren.
Die Formgebung der Verglasungen spielt programmiert und steuert Mecaplex mit
eine entscheidende Rolle, um diesen extre- Delmia V6 Machining die modernen Fünfmen Anforderungen gerecht zu werden. Achs- und Drei-Achs-Fräsmaschinen für die
Ein einwandfreies Design ist daher uner- mechanische Bearbeitung der Verglasunlässlich. „Die dafür notwendigen Berech- gen und den Formenbau.
nungen und Produktionsmethoden, die wir
„Ich war schon immer ein Freund des virheute verwenden, beispielsweise die Simu- tuellen Produkt-Designs “, offenbart Reutilation eines Vogeleinschlags, gab es vor ei- mann. „Ein Professor an der Hochschule hat
nigen Jahren noch gar nicht“, erklärt Reu- mir während meines Studiums vermittelt,
timann. „Die neuen Lösungen helfen uns, welches Spektrum an Möglichkeiten Catia
noch bessere Produkte zu entwickeln und in der Umsetzung von Ideen bietet. Wir haben damals nächtelang damit konstruiert
zu produzieren.“
und es macht mir immer noch viel Spaß,
damit zu arbeiten.“
Wagen, was andere nicht wagen
Ohne Catia kann sich Reutimann seiNeue Technologien sind für Mecaplex ein
entscheidender Erfolgsfaktor. Die Konkur- ne Arbeit heute gar nicht mehr vorstellen:
renz ist meist größer und oft auch günstiger „Damit können wir frei und flexibel jede
als der 1948 gegründete Familienbetrieb. noch so komplexe Form entwerfen und
Dementsprechend muss Mecaplex seinen egal wie extrem die Entwürfe sind – geraKunden mehr bieten. „Wir gehen freier an de bei Teilen wie den Blinkern oder den Flüeine Aufgabe heran und wagen, was an- gelspitzen, die sehr stark der Aerodynamik
dere nicht wagen“, bringt es Reutimann auf ausgesetzt sind: am Ende können wir sie
den Punkt. „Den Satz ‚Das geht nicht‘ hören überprüfen und auch bauen. Und mit EnoSie bei uns nicht. Wir suchen immer kreativ via finden wir nicht nur die Geometrie, sonnach Lösungen, um die Wünsche unserer dern auch den Prozess wieder.“
Bei der Implementierung der DassaultKunden zu erfüllen.“
Neben Dassault Aviation oder EADS Anwendungen und den Schulungen der
zählen beispielsweise Eurocopter, Korean Mitarbeiter wird Mecaplex von Cenit unterAerospace Industries, Northrop Grumman
oder Pilatus Aircraft zu den Referenzen.
Virtuelles Produkt-Design
Da die Verglasungen nicht zur Kernkompetenz der Flugzeugbauer gehören, lautet eine typische Anfrage von MecaplexKunden: Wir bauen einen Helikopter, der
mit Geschwindigkeit X bis zu einer Höhe Y
fliegt und möchten dafür sichere Scheiben.
„An dieser Stelle beginnt unsere kreative Beratungsleistung“, kommentiert Reutimann. „Wir machen Vorschläge für den Einbau, die Dicke und die Zusammensetzung
der Scheibe, ob sie beheizt sein sollte oder
nicht.“ Für diese Berechnungen und Konst-
stützt. „Wir arbeiten schon seit vielen Jahren
mit diesem Dienstleister zusammen und
sind äußerst zufrieden“, so Reutimann.
Enormes Potenzial
Um den Kunden die Vorschläge noch realistischer präsentieren zu können, plant
Mecaplex, künftig auch 3DVia von Dassault
einzusetzen. „In 3D steckt so viel Potenzial:
ein Produkt wird nicht mehr nur gezeigt,
Auch die kratzfeste Polycarbon-Frontscheibe des Agusta A109 ist
Bilder: Mecaplex
von Mecaplex.
sondern mit 3D können Kunden das Produkt so erleben, als wäre es real“, sagt Reutimann.
Auch was den Werkstoff Glas angeht,
sieht er die Möglichkeiten noch längst nicht
ausgeschöpft: „Gerade im Verbund mit anderen Werkstoffen, zum Beispiel Kunststoffe, die sich hinsichtlich der Wärmeausdehnung ähnlich verhalten wie Plexiglas, liegt
enormes Innovationspotenzial. Hier stehen
wir erst am Beginn der Entwicklung. Der
JBI |
große Sprung liegt noch vor uns.“ Jutta Treutlein arbeitet im Marketing bei Dassault
Systèmes in Stuttgart.
Mecaplex erstellt virtuelle
Modelle der
Verglasung.
036 | PRODUCT LIFECYCLE MANAGEMENT | Simultaneous Engineering
PA R A L L E L I S I E R U N G D E S KO N S T R U K T I O N S - U N D B E R E C H N U N G S P R O Z E S S E S
Das Miteinander von
Konstruktion und Berechnung
Stetig verkürzte Entwicklungszyklen von Produkten lassen Konstruktion und Berechnung im Rahmen von Simulation enger
zusammenwachsen. Daraus entwickeln sich Szenarien wie FEM für den Konstrukteur, CAD-integrierte Berechnung und
konstruktionsintegrierte Simulation, die sich unter dem Überbegriff „Simultaneous Engineering“ zusammenfassen lassen.
Das Karlsruher Software-Unternehmen Transcat PLM ist Spezialist auf diesem Gebiet und hat bereits in verschiedenen
Unternehmen aus der Automobilindustrie beachtliche Prozessoptimierungen realisiert.
M
it einer Topologieoptimierung
lässt sich in den Entwurfsphasen die bestmögliche Nutzung
der Bauräume untersuchen, woraus die Vorgaben für die ersten Designvarianten abgeleitet werden können. „Für die anschließende Detaillierung bieten sich dann
Anwendungen nach der Finite-ElementeMethode (FEM) an. Derartige Lösungen gibt
es auch für den Bereich der Strömungs- und
Mehrkörpersimulation sowie der Toleranzanalyse“, erläutert Peter Straetemans, Senior
Consultant bei Transcat PLM. Allein die Berechnungsvorbereitung findet in einer CADUmgebung statt, wobei der Anwender aufgrund der CAD-Integration seine gewohnte
CAD-Umgebung nicht verlassen muss. Die
Randbedingungen der Simulation sind asso-
Für die Detaillierung von Designvarianten
bieten sich lineare oder auch nichtlineare
Anwendungen nach der Finite-Element-
Methode (FEM) an.
Viele Simulationsabläufe erfolgen immer wieder in den
gleichen Schritten. Dieser
Workflow lässt sich heute durch
entsprechende Anwendungen
automatisieren.
Bilder: Transcat PLM
ziativ mit der Geometrie verbunden, sodass
sich Geometrievarianten schnell und komfortabel untersuchen und vergleichen lassen.
Die für die Gleichungslösung eingesetzten
Solver sind die gleichen wie in der Berechnungsabteilung. Darstellung und Auswertung der Ergebnisse werden innerhalb des
CAD-Systems durchgeführt.
Simulationen statt teurer Tests
„Mit dieser Entwicklung von zunehmend
leistungsfähigerer
Simulationssoftware
kann man die Ergebnisse immer näher an
die Realität heranführen. In manchen Bereichen ersetzen komplexe Simulationen
bereits kostenintensive reale Tests, denn
aufgrund der CAD-integrierten Lösungen
bekommt die Berechnungsabteilung heute deutlich besser vordimensionierte Konstruktionsentwürfe für zuverlässige Ergebnisse“, meint Peter Straetemans.
Da der Konstrukteur durch den unregelmäßigen Einsatz von FEM-Anwendungen
nur schlecht Erfahrung sammeln kann,
sollte im Vorfeld allerdings eine praxisnahe
Anwenderschulung und während der Anwendung eine gute Betreuung stattfinden.
VON KAREN DÖRFLINGER
„Hier hat es sich bewährt, dass an firmeninternen Schulungen Mitarbeiter aus der
Berechnungsabteilung teilnehmen, die anschließend die Betreuung der Konstrukteure übernehmen“, erklärt Peter Straetemans
die Vorgehensweise.
Eine weitere Unterstützung des Kon
strukteurs kann die Methode der AnalyseTemplates sein, denn bei vielen Bauteilen
sind die Anforderungen an die Simulation
ähnlich bis gleich. Dabei wird für ein Bauteil eine Referenzanalyse aufgebaut. Durch
Speichern der definierten Vernetzungsparameter sowie aller gewünschten Ergebnisdarstellungen lässt sich ein Analyse-Template erstellen. Möchte man nur ähnliche
Bauteile untersuchen, nimmt der Konstrukteur die Vorlage und tauscht den Geometrielink auf die neue Geometrie. Auf diese
Weise ist die Gleichheit der Analyseparameter und somit eine Vergleichbarkeit der
Analyseergebnisse gewährleistet.
Prozessautomatisierung
Die konsequente Weiterführung davon ist
die Automatisierung des gesamten Prozesses, denn viele Simulationsabläufe erfolgen immer wieder in den gleichen Schritten. In diese Prozessautomatisierung lassen
sich auch Optimierungsstrategien einbauen, womit sich beispielsweise Bauteile parametergesteuert optimieren lassen. Nach
der Untersuchung erhält der Anwender
nur noch eine E-Mail mit den Ergebnissen.
„Mit einer solchen Prozessautomatisierung
können in gleicher Zeit mehr Simulationen
durchgeführt werden. Darüber hinaus stellt
sie die Reproduzierbarkeit der einzelnen
Simulationsschritte und die Vergleichbarkeit der Ergebnisse sicher“, so Peter Straetemans. RT |
Strömungssimulation | SIMULATION & VISUALISIERUNG | 037
C F D - S I M U L AT I O N S P R O J E K T E M I T F L O W V I S I O N
Planbar simulieren
Capvidia, ein Anbieter von 3D-Engineering-Software, offeriert Unternehmen Simulations- und Berechnungsprojekte
auf Basis der hauseigenen Strömungssimulationssoftware FlowVision.
C
apvidia bietet ein breites Feld von
CFD-Simulationslösungen.
Um
vor der geplanten Einführung einer
CFD-Berechnungssoftware
den Nutzen des FlowVision-Software-Pakets besser beurteilen zu können, bietet
Capvidia interessierten Unternehmen die
Möglichkeit, in sogenannten „3/10“-Simulationsprojekten klar abgegrenzte Aufgabenstellungen zu bearbeiten.
Bei den Capvidia „3/10“-FlowVision-Projekten geht es darum, ein Strömungssimulations-, Wärmeübertragungs- oder
verwandtes Berechnungs- oder Simulationsproblem nach kundenspezifischen Kriterien mit der Software FlowVision erfolgreich abzuarbeiten.
Ein durch den Capvidia-Partner entsprechend spezifiziertes Projekt kann dann bis
zu drei Monate in Anspruch nehmen und
hat einen für den Interessenten planbaren
Kostenumfang von lediglich 10.000 Euro
(daher: „3/10“-Projekt).
Spezifizierung und Projektplanung
Der Capvidia-Partner erstellt anhand einer
detaillierten Problembeschreibung eine
Spezifikation und übermittelt entsprechende 3D-Geometriedaten als Grundlage des
Simulationsprojekts.
Das Capvidia-FlowVision-Team stellt daraufhin eine umfassende Projektplanung
zusammen, die an den Projektpartner kommuniziert wird. Die Simulation lässt sich
dann bei Capvidia selbst oder aber beim
Kunden in Kombination mit Capvidia-Resourcen durchführen. Wird eine aktive Einbindung in die Projektarbeit gewünscht,
so besteht jederzeit die Möglichkeit einer
FlowVision-Teststellung beim Interessenten. Während der Projektausführung stellt
das FlowVision-Projektteam eine fortwährende Kommunikation über die Projektergebnisse mit dem Partner sicher.
Diese Vorgehensweise ermöglicht eine
effiziente Verknüpfung individueller Problemstellungen mit der FlowVision-Soft-
VON THOMAS TILLMANN
Aerodynamik eines Formel-1Autos (Druckverteilung).
Bild: TESIS Ltd.
ware. Somit wird ein detailliertes Kennenlernen des CFD-Produkts bei gleichzeitiger
Evaluierung der FlowVision-Software in Bezug auf nutzerspezifische Problemstellungen gewährleistet.
Capvidia-CFD-Projekte decken allgemeine Strömungssimulation ab, im Speziellen
aber auch:
• externe Aerodynamik
• interne Strömung in hydraulischen Systemen
•
Kühlung elektrischer und elektronischer
Geräte – thermische Analyse
• Strömung in Systemen mit beweglichen
Körpern
• Marine-Anwendungen
• Windkraft- und Windpropeller-Systeme
• Turbinen und Düsenantriebe
• industrielle Gasbrenner, Verbrennungsprozesse, Gasmischung in Brennräumen
• Fluid-Struktur-Interaktion – Co-Simulation
mit SIMULIA Abaqus
• medizinische Anwendungen
Flowvision umfasst vielfältige Funktionen,
um schwierige CFD-Fragestellungen zu adressieren. Automatische Vernetzung und
der sogenannte Kleinstspalt-Tracking-Mechanismus ermöglichen nicht nur die Simulationen von bewegten Körpern in der
Simulationsdomäne, sondern auch die Berechnung extrem kleiner Zwischenräume
(viel kleiner als die Elementgröße des Rechengitters). Die Netzgenerierung basiert
auf SGGR(Sub-Grid-Geometry-Resolution)Techniken, um für die Vernetzung die ursprünglichen CAD-Geometrie-Grenzen zu
erhalten. Auf diese Weise bleiben Probleme wie die Dimensionalität innerhalb der
Simulationsdomäne beherrschbar. Diese
Technik wird auch verwendet, um Schließund Öffnungsmechanismen von Ventilen
zu simulieren, wobei sich der Zwischenraum zwischen zwei Elementen kontinuierlich verändert und im Moment des Schließens gleich null ist.
FlowVision ist modular aufgebaut und
durch die objektorientierte Architektur
(C++) sehr flexibel und einfach zu erweitern oder an kundenspezifische Anforderungen anzupassen.
Enge Zusammenarbeit
Capvidias Projektarbeit bezieht sich auf anspruchsvolle CFD-Projekte in enger Zusammenarbeit mit industriellen Partnern, nicht
nur zur Evaluierung, sondern auch zur Validierung von Simulationsergebnissen mit
vorhandenen experimentellen Daten.
Beispiel für die Entwicklung der
Fluid-Struktur-Interaktionsfähigkeit in CoSimulation mit SIMULIA Abaqus ist die Pionierarbeit bei der Untersuchung des Aquaplaning-Verhaltens von Autoreifen unter
Berücksichtigung der Strömungs- wie auch
der Strukturproblematik.
Ein weiteres großes Projekt dieser Art
wurde im Bereich der Entwicklung und
vollständigen 3D-Simulation von Schraubenkompressoren durchgeführt. Flow
Vision wird heute vom Marktführer für die
Optimierung und Verbesserung des Verdichter-Designs verwendet.
RT |
038 | SIMULATION & VISUALISIERUNG | Reverse Engineering
A U T O M AT I S I E R T E F L Ä C H E N R Ü C K F Ü H R U N G
Reale Bauteilgeometrien
simulieren
Fertigungstechnisch bedingte Abweichungen treten bei der Herstellung praktisch aller Bauteile auf, finden aber in
Simulationen aufgrund nicht vorhandener Geometriedaten keine Berücksichtigung. Mit Hilfe des Reverse Engineering
steht ein Prozess zur Verfügung, um genau diese realen Geometriedaten zu erzeugen. Der Fokus liegt hierbei darauf, den
aufwändigen Prozessschritt der Flächenrückführung zur Erzeugung mathematisch beschriebener NURBS-Flächen mit
PolyWorks teilweise zu automatisieren.
VON SEBASTIAN KATONA, PROF. DR. M. KOCH UND PROF. DR. S. WARTZACK
D
urch fertigungsbedingte Deformationen kommt es bei fast jedem produzierten Bauteil zu
Abweichungen gegenüber der
idealen Geometrie des CAD-Modells (Abbildung 1). Besonders bei formgebundenen Fertigungsverfahren wie Spritzguss,
Tiefziehen und Schmieden kann im Fertigungsprozess nicht nachgearbeitet werden, um die Idealgeometrie zu erreichen.
Die Deformationen können abhängig vom
Herstellungsverfahren, zum Beispiel Faltenbildung beim Tiefziehen [1] und der Bauteilgröße durchaus relevante Geometrieabweichungen gegenüber dem CAD-Modell
hervorrufen und somit festigkeitsrelevant
sein. Die abweichende Gestalt lässt sich
bei der Simulation der Bauteile derzeit aber
nicht berücksichtigen. Während der Produktentwicklung kann der Konstrukteur
eine aufwändige Simulation, unter anderem Bauteilfestigkeit und Dauerfestigkeit,
Abbildung 1: Falschfarbendarstellung der Abweichungen eines
Realbauteils zum idealen CAD-Modell.
Abbildung 2: Der Reverse-Engineering-Prozess.
definieren und am idealen (unverformten) CAD-Modell [2] durchführen. Obwohl
sich die Ergebnisse aus den Berechnungen durch die Geometrieabweichung oft
nicht eins zu eins auf das deformierte Bauteil übertragen lassen, wird aus Kapazitätsund Kostengründen (hoher Zeitaufwand
und zusätzliches Know-how notwendig)
zumeist auf eine erneute Berechnung der
verformten Realgeometrie verzichtet.
Der hier beschriebenen Ansatz zeigt, wie
sich existierende Bauteile mittels Reverse
Engineering aufnehmen und (teil-)automatisiert aufbereiten lassen, um Flächenmodelle mit Abweichungen zu erhalten, mit
denen schließlich eine genauere Simulation durch Verwendung der Realgeometrie möglich wird. Die Darstellung und Aufbereitung der Daten erfolgt dabei mit der
Software PolyWorks.
Der Reverse-Engineering-Prozess
Der Reverse-Engineering-Prozess beginnt
mit der Aufnahme des gewünschten Bau-
teils. Mittels eines Laser-Scanners, zum Beispiel FARO Laser Line Probe, Steinbichler
T-SCAN CS oder Creaform REVscan , wird
die Oberfläche abgetastet und stückweise
als Punktwolke erfasst. Laser-Scanner arbeiten nach dem Lichtschnittverfahren. Das
Grundprinzip dieses Verfahrens ist die Triangulation [3]. Hierbei wird ein Laserstrahl
auf die Oberfläche eines Körpers geworfen und der auftreffende Punkt über eine
mit definiertem Winkel und Abstand angebrachte Kamera aufgenommen. Damit
lassen sich die genauen Koordinaten des
Oberflächenpunktes zurückrechnen. Beim
Lichtschnittverfahren wird nicht nur ein
Strahl, sondern eine Laserlinie verwendet,
um durch Abfahren der Geometrie bis zu
mehrere Tausend einzelner Oberflächenpunkte pro Sekunde zu erfassen.
Die so aufgenommenen Punktwolken
bestehen lediglich aus Einzelpunkten mit
den drei Koordinaten (x, y, z) und einem Normalenvektor aus der Aufnahmerichtung.
Die Punkte sind zwar die Basis für das wei-
Reverse Engineering | SIMULATION & VISUALISIERUNG | 039
tere Vorgehen, können in diesem Zustand
aber lediglich einer visuellen Darstellung
dienen. Um aus diesen Daten ein zusammenhängendes Modell zu erhalten, müssen Nachbarschaftsbeziehungen zwischen
den Scanpunkten hergestellt werden. Dieser Schritt – die Polygonisierung – lässt sich
mit Algorithmen innerhalb verschiedener
Softwarelösungen, beispielsweise PolyWorks oder Open-Source-Programmen
wie CloudCompare, durchführen. Hierbei
entsteht ein Polygonnetz (bei dieser Anwendung typischerweise als Dreiecksnetz),
das, je nach Qualität der Scandaten, noch
Fehler beinhalten kann, zum Beispiel kleine
Löcher im Netz. Daher muss man das Polygonnetz in der Regel nachbearbeiten und
in gewissem Maße aufbereiten.
Anschließend folgt der zeitaufwändigste Teil des Reverse-Engineering-Prozesses
(Abbildung 2): die Flächenrückführung
zu mathematisch beschriebenen NURBSFlächen (Non Uniform Rational B-Splines),
die eine verlustfreie Skalierung zulassen.
NURBS-Flächen werden verwendet, da
sich alle erdenklichen Formen damit abbilden lassen. Zudem kann man aus einem
NURBS-Flächenmodell mit relativ geringem
Abbildung 3: Screen
shot der PolyWorksOberfläche mit Abfrage der Randkurven für
die weitere Segmentierung.
Aufwand beispielsweise ein CNC-Fräsbearbeitungsprogramm ableiten.
Für die Flächenrückführung muss man
das Polygonnetz zunächst in kleine Teilbereiche unterteilen, um einzelne FlächenPatches zu erhalten. Diesen Schritt nennt
man Segmentierung. Dabei werden Kurven
auf das Polygonnetz gelegt und an dieses
angepasst („fitten“). Gültig für die NURBSFlächenerzeugung sind hierbei nur Aufteilungen in drei- und vierseitige Stücke,
wobei man Dreiecke nur dann verwenden
soll, wenn vierseitige Flächenbereiche un-
möglich sind oder ungünstig liegen. Für die
vierseitige Einteilung gilt zudem, dass Kantenform und Eckenwinkel zwar grundsätzlich frei sind, sich durch die Annäherung an
ein Rechteck aber die Qualität der erzeugten Flächen verbessern lässt. Diese Einteilung muss meist manuell erfolgen und ist
enorm (zeit-) aufwändig [4], da die krümmungsabhängigen Automatismen vieler
Software-Programme hier oft nur ungenügende Lösungen bieten. Meist liegt der
Zeitaufwand für die Segmentierung/Flächenrückführung bei 80 Prozent und mehr
+
zialtag
VDI-Spe
4. VDI
Leichtbaukongress Automobilindustrie
leichtbau
Struktur
ik
mit Bion 2014
li
am 08. Ju
TOP-THEMEN DES KONGRESSES
•
•
•
•
•
•
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Produktionsanlauf einer neuen Technologie: der BMW i3 live (mit Werksführung)
Leichtbau in allen Dimensionen: der Plug-In Hybrid Sportwagen 918 Spyder
Composites für die Automobilindustrie: Kostenreduktion durch Verkürzung der Wertschöpfungskette
Strategien für den optimalen Materialmix: Alfa 4c, Audi TT, BMW i8, Daimler, InEco®
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Bildquelle: BMW AG
040 | SIMULATION & VISUALISIERUNG | Reverse Engineering
[5] des gesamten Reverse-Engineering-Prozesses. Sobald das Polygonmodell ein gültiges Segment besitzt, wird in diesem ein
NURBS-Flächen-Patch erzeugt. Durch eine
Toleranz an den Berandungen und eine
Flächensteifigkeit lässt sich die Qualität
des Patches noch beeinflussen. Bei diesen
Parametern ist vor allem die individuelle
Frage zu klären, ob die Oberfläche besonders exakt abgebildet werden oder ob eine
optisch saubere Fläche entstehen soll, die
dann höhere Abweichungen zum Polygonmodell aufweisen kann. Ist das gesamte
Modell segmentiert und sind die NURBSFlächen-Patches erzeugt, kann man die einzelnen Flächenstücke schließlich zu einem
CAD-Flächenmodell zusammenfügen und
beispielsweise im STEP- oder IGES-Format
exportieren.
Automatisierte Segmentierung
Wie erwähnt, ist nach der Geometrieerfassung mittels Laser-Scanner die Segmentierung des Polygonmodells der zeitaufwändigste Prozessschritt beim Reverse
Engineering. Für einen Zeit- und Produktivitätsgewinn in der Flächenrückführung lässt
sich die Aufteilung in Flächensegmente
durch eine Automatisierung vereinfachen,
bei der man lediglich grobe vierseitige Berandungskurven erzeugen muss – je nach
Form ist möglicherweise auch nur ein großes Viereck nötig, das auf dem Rand des
Bauteils liegt. Die Aufteilung innerhalb der/
des Vierecksegmente(s) erfolgt daraufhin
durch die automatische Erzeugung einer
gewünschten Anzahl an Kurven mit äquivalenter Teilung zu den jeweils kreuzenden
Kurven.
Der entwickelte Algorithmus (Abbildung
4) berechnet zunächst die Längen der vier
Randkurven. Für eine erste Unterteilung
werden die beiden gegenüberliegenden
Kurven jeweils von Mitte zu Mitte geradli-
Abbildung 5: Komplexes Bauteil mit Automatismus segmentiert
und zu Flächen-Patches zurückgeführt:
a) Bauteil mit den
vier Randkurven
und Grenzkurve für
Loch, b) automatisch
erzeugte Kurven für
Einzelsegmente, c)
Nachbearbeitung für
Lochausschnitt und d)
Modell aus gefitteten
NURBS-Patches.
Bilder: 3D-Visualisierungszentrum
Abbildung 4: Fortschritt bei der automatisierten Segmentierung: a) Polygonnetz, b) Randkurven, c) erste
Kurve zwischen zwei Randkurven von Mitte zu Mitte, d-g) Verfeinerung der Segmente durch gleiche Aufteilungen der Zwischenkurven in jeweils kreuzender Richtung und h) Modell aus gefitteten NURBS-Patches.
nig miteinander verbunden (c). Somit erhält man für die andere Richtung bereits
eine bessere Einteilungsmöglichkeit, indem zu den beiden Randkurven eine weitere zur Einteilung für drei Kurven hinzukommt (d). Diese drei neuen Kurven dienen
wiederum in gleichen Teilungen für sieben
neue Kurven in die erste Richtung (e). Mit
diesen sieben Kurven wird eine passable
Genauigkeit angenommen, um danach die
gewünschte Anzahl an Kurven in die kreuzende Richtung zu generieren (f ). Alle Kurven werden anschließend wieder für die Erstellung der Kurven in die andere Richtung
verwendet (g). Bei jeder einzelnen erzeugten Spline-Kurve wird die Länge berechnet,
um diese später für die benötigte Anzahl in
Querrichtung dazu richtig aufzuteilen. Zum
Ende lassen sich die nicht mehr benötigten Zwischenkurven entfernen, um sauber
segmentierte NURBS-Flächen-Patches (h)
zu erhalten.
Der Vorteil der Aufteilungsstrategie liegt
neben der offensichtlichen Zeitersparnis
vor allem darin, dass durch diese Vorgehensweise nur vierseitige NURBS-Flächen
mit meist passablen Eckenwinkeln und – je
nach gewählter Kurvenanzahl in die beiden
Richtungen – auch gute Seitenverhältnisse
entstehen, um so saubere Flächen-Patches
zu erhalten. Zudem ergibt sich durch die
geringen Kurvenabstände eine günstige
lokale Krümmungsverteilung in den er-
zeugten Flächensegmenten. Durch ein Aneinandersetzen von mehreren solcher groben Viereckflächen, die dann automatisch
in qualitativ hochwertige NURBS-Flächen
überführt werden, ist eine schnelle Flächenrückführung auch komplexer Bauteile
mit moderatem Benutzereingriff möglich
(Abbildung 5).
Mithilfe der explizit angestrebten Teilautomatisierung kann der Benutzer eine
deutliche Entlastung bei der Flächenrückführung erfahren und dennoch sein spezifisches Wissen weiterhin einbringen.
Der hier vorgestellte Ansatz wurde im
Rahmen des Teilprojekts 10 „Erzeugung korrigierter, realitätsnaher Geometrien für die
Simulation mit 3D-Oberflächenerfassung“
des Bayerischen Forschungsverbunds für
effiziente Produkt- und Prozessentwicklung
durch wissensbasierte Simulation (ForPro²)
entwickelt.
Die automatisierte Flächenrückführung
ist mit der PolyWorks-internen Programmiersprache MSCL geschrieben und lässt
sich in das PolyWorks-Modul IMEdit integrieren. RT |
Quellen:
[1] Birkert, Arndt; Haage, Stefan; Straub, Markus: Umformtechnische Herstellung komplexer Karosserieteile – Auslegung von Ziehanlagen. Berlin, Heidelberg,
Springer Vieweg, 2013. ISBN 3-642-34670-7
[2] Gebhardt, Christof: Praxisbuch FEM mit ANSYS Workbench – Einführung in die lineare und nichtlineare
Mechanik. München : Hanser, 2011. ISBN 978-3-44642517-0
[3] Hehenberger, Peter: Computerunterstützte Fertigung
– Eine kompakte Einführung. Berlin, Springer, 2011.
ISBN 978-3-642-13474-6
[4] Borrmann, André; Günthner, Willibald: Digitale
Baustelle-innovativer Planen, effizient Ausführen –
Werkzeuge und Methoden für das Bauen im 21. Jahrhundert. Dordrecht, New York, Springer, 2011. ISBN
978-3-642-16485-9
[5] Schöne, Christine: Reverse Engineering für Freiformflächen in Prozessketten der Produktionstechnik.
München, Verlag Dr. Hut, 2009. ISBN 3-868-53103-3
Sebastian Katona und Professor Dr. M. Koch arbeiten am 3D-Visualisierungszentrum der Technischen
Hochschule Nürnberg Georg Simon Ohm, Professor
Dr. S. Wartzack an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik.
Expertenrunde zu High Performance Computing | HARDWARE & PERIPHERIE | 041
SECHS ANBIETER NEHMEN STELLUNG
Auf die Gesamtlösung
kommt es an
Die virtuelle Produktentwicklung mit zunehmend komplexeren Berechnungsaufgaben erfordert immer mehr Rechen
power. Da verwundert es nicht, dass das Thema High Performance Computing (HPC) auch im Engineering-Umfeld heiß
diskutiert wird. Wir haben sechs Anbieter von HPC-Hardware und HPC-Anwendungen dazu befragt, was Anwender beim
High Performance Computing beachten sollten.
VON RAINER TRUMMER
Komplexe Simulationen profitieren vom
High Performance
Computing.
FRAGEN AN DIE ANBIETER:
1. Was sind die aktuellen Herausforderungen im High Performance
Computing (HPC) für industrielle
Anwendungen?
Bild: MSC Software
2. Welche HPC-Lösungen und
Dienstleistungen bietet Ihr Unternehmen für Engineering- und
Simulationsanwender an?
3. Worauf sollten mittelständische
Unternehmen besonders achten,
wenn sie in HPC-Lösungen investieren wollen?
D
ie Ingenieure, Berechnungsspezialisten und Wissenschaftler sind
stets auf der Suche nach innovativen Lösungen zur Beschleunigung von Applikationen und zur Verkürzung von Rechenzeiten. Die immer
komplexeren Berechnungsaufgaben im
Simulationsumfeld verlangen nach aktuellen HPC-Lösungen, die dafür genug Performance zur Verfügung stellen. Dabei nehmen Grafikprozessoren (GPU) eine wichtige
Rolle ein. Denn GPUs sind nicht nur für Bildberechnung und Grafikausgabe wichtig, sie
verfügen auch über ein enormes Rechenpotenzial, das sich für Engineering- und Berechnungsaufgaben sinnvoll nutzen lässt.
Hochkomplexe Anwendungen wie Strömungssimulation, FEM-Simulationen, CAD
oder Renderings, die im Bereich Rechen-,
Speicher- und I/O-Leistung höchste Anforderungen stellen, profitieren spürbar von
HPC-Systemen. Ein wichtiger Trend beim
High Performance Computing ist aber
auch die Energieeffizienz. Durch geeignete Maßnahmen lässt sich der Energieverbrauch von Supercomputern spürbar sen-
ken und damit auch die Kosten verringern.
Welche Trends Anbieter von HPC-Infrastruktur und -Anwendungen sehen und
was insbesondere mittelständische Unternehmen beachten sollten, erläutern uns
sechs Experten, die unsere Fragen beantworten mussten.
Dr. Jochen Krebs,
Director Enterprise Sales Central & Eastern Europe bei Altair
1. Laut den US-Marktforschern IDC steigt
der Bedarf an HPC-Anwendungen in der Industrie jährlich um rund zehn Prozent. Einführung und Ausbau von HPC-Plattformen
und -Anwendungen ermöglichen es Unternehmen, schneller und flexibler auf Marktanforderungen zu reagieren und kosteneffizienter zu werden.
Bei der Einführung von HPC muss man
neue Plattformen und entsprechende Zu-
griffsmöglichkeiten in die vorhandene ITInfrastruktur integrieren. Viele kleinere und
mittelständische Unternehmen nutzen für
ihre Berechnungen bisher nur WorkstationUmgebungen unter Windows. Die Installation und Integration eines Linux-basierten
HPC-Servers stellt neue Anforderungen an
die IT-Abteilung.
Ein wichtiger Punkt sind auch die HPCAnwendungen selbst. In der Industrie werden oft kommerzielle Tools von unabhängigen Softwareanbietern (ISV) verwendet.
Was – vor allem bei Parallelanwendungen oder wenn das Unternehmen externe
Rechner-Ressourcen („Public Cloud“) nutzt
– zu Fragen führt: Wie werden die Anwendungen auf HPC-Plattformen lizenziert und
welche Zusatzkosten entstehen dadurch?
2. Altair bietet ein komplettes Softwareund Dienstleistungsportfolio für Engineering- und Simulationsanwender an. Darunter Solver und Pre-Post-Module für
verschiedenste Aufgabenstellungen wie
Gewichtsoptimierung, Strömungsmechanik, Crash-Analyse oder die Berechnung
042 | HARDWARE & PERIPHERIE | Expertenrunde zu High Performance Computing
FRAGEN AN DIE ANBIETER:
1. Was sind die aktuellen Herausforderungen
im High Performance Computing (HPC) für
industrielle Anwendungen?
2. Welche HPC-Lösungen und Dienstleistungen
bietet Ihr Unternehmen für Engineering- und
Simulationsanwender an?
3. Worauf sollten mittelständische Unternehmen besonders achten, wenn sie in HPC-Lösungen investieren wollen?
elektromagnetischer Felder. Für HPC-Anwender gibt es Software zum Scheduling
der Jobs, zur Verwaltung von Workloads
und Webportale zur Jobüberwachung und
zur Remotevisualisierung der Ergebnisse.
Der neue „Simulationsmanager“ erleichtert
das Management und die Teamarbeit in
komplexen Projekten.
Das Besondere an Altair ist nicht nur sein
umfassendes Softwareportfolio, sondern
die eigene Engineering-Services-Abteilung,
in der diese Software auch eingesetzt wird.
So kennt Altair die Anforderungen der Kunden nicht nur aus der Sicht des HPC-Software- und -Middleware-Entwicklers, sondern auch aus der der Nutzer. Dies ist für
diesen Markt einzigartig.
3. Auf „versteckte“ Implementierungs- und
Betriebskosten! Der produktive Einsatz von
HPC-Plattformen erfordert ein reibungsloses Zusammenspiel von Hardware und
Betriebssystem mit der HPC-Middleware,
zum Beispiel Cluster- und Workload-Management, MPI Libraries sowie Webportalen, und den Anwendungen (Solver, Visualisierungssoftware usw.). Dies impliziert
eine Vielzahl von Schnittstellen. Je mehr
Anbieter im Spiel sind, umso komplexer
und kostenintensiver gestalten sich Installation und Betrieb solcher Konfigurationen.
Das „Hyperworks-Unlimited“-Konzept von
Altair adressiert genau diesen Punkt und
bietet eine Lösung, die eine schnelle Realisierung und Einsatzbarkeit von HPC für kleinere und mittelständische Firmen bei überschaubaren Kosten garantiert.
Eric Schnepf,
Senior Sales Specialist Business
Development
HPC Germany
bei FUJITSU
1. Viele Industrieunternehmen möchten
HPC-Anwendungen intensiver nutzen, um
einerseits die Qualität von neuen Produkten
2. IBM ist gesamtheitlicher Anbieter im
HPC-Umfeld. Wir führen Hardware wie
IBM NeXtScale mit unserem IBM Platform
Computing Portfolio, GPFS und IBM Global Service Dienstleistungen zusammen,
um für unsere Kunden eine maßgeschneiderte Komplettlösung abzubilden. Untermauert wird dies durch eine langjährige
HPC-Expertise mit einem dedizierten HPCTeam aus Vertrieb, Architekten und Anwen2. Fujitsu ist mit über 30 Jahren Erfahrung dungsspezialisten. Weiter bieten wir HPCeiner der führenden Anbieter von HPC- Ressourcen in unserer IBM SoftLayer Cloud,
Lösungen mit einem kompletten Angebot die sich mit IBM Platform LSF automatisch
von CELSIUS-Workstation-basierten Umge- einbinden lassen.
bungen für technisches Computing bis hin
zu x86-PRIMERGY-Server-basierten HPC- 3. Ein besonderer Fokus sollte auf dem Punkt
Lösungen einschließlich ETERNUS-Speicher- „Produktivität“ liegen. Jede Stunde an ungesystemen. Vollintegriert in die Fujitsu HPC nutzter Simulationszeit bedeutet Verlust. Die
Cluster Suite vereinfacht das HPC Gateway Zeit der Ingenieure und die Investitionen
die Nutzung des HPC-Clusters für Enginee- in die Technologien oder Softwarelizenzen
ring-Anwendungen sowohl für erfahrene sind zu kostbar, um sie zu verschwenden.
Anwender als auch für Einsteiger. Fujitsu Deshalb raten wir zu maßgeschneiderten
bietet Unternehmen vielfältige Dienstleis- Lösungen von erfahrenen Anbietern, die mit
tungen von der Anwendungsberatung bis der notwendigen Expertise beraten. Durch
hin zur System-Integration.
eine schnellere Produktivität und die genau
passende Lösung für die eigenen Bedürf3. Gerade für mittelständische Unterneh- nisse wird die Optimierung der Investition
men ist es wichtig, integrierte Komplett- in eine HPC-Lösung über den kompletten
lösungen zu bekommen, die sich schnell Lebenszyklus erreicht.
produktiv für deren Simulations-Anwendungen einsetzen lassen. Die Anwender
sollten über einfach zu bedienende NutzerSchnittstellen ihre Applikationen starten
Stefan Kraemer,
und überwachen können. Eine reibungsDirektor
freie Integration in die AnwendungsprozesHPC-EMEA
se ist ebenso wichtig wie die kompetente
bei NVIDIA
Beratung für die HPC-Nutzung. Beim Kauf
sollte es nicht nur auf die Spitzenleistung
ankommen, sondern auch auf die erzielba- 1. Es gibt einen wachsenden Bedarf an Rere Anwendungs-Performance.
chenleistung im HPC-Sektor, hervorgerufen
durch komplexere und größere Modelle sowie verkürzte Entwicklungszyklen. Gleichzeitig müssen gesetzliche Verordnungen,
Martin W. Hiegl,
zum Beispiel was den CO2-Ausstoß betrifft,
High Perforeingehalten werden. CPU-basierte Systeme
mance Comskalieren nicht linear und Codes sind meist
puting Leader,
noch seriell optimiert. Außerdem steigt
DACH, bei IBM
der Stromverbrauch enorm an, wenn man
neue Knoten hinzufügt. Durch den Einsatz
1. Ein verstärkter Trend ist die Auseinander- von Grafikprozessoren (GPUs) lassen sich
setzung mit weltweit verteilten Teams in der all diese Herausforderungen meistern. Sie
Entwicklung. Dies erfordert globalen Zugriff sind äußerst effizient und bieten gleichzeiauf Rechenkapazität und Daten bei zentra- tig eine sehr hohe parallele Rechenleistung.
len sowie verteilten Systemen. Der nächs- Bereits jetzt sind die TOP 10 der Greente Schritt kann dabei auch der Schritt in die 500-Systeme hybride Systeme aus IntelCloud sein oder eine Kombination aus ei- CPUs und NVIDIA-Tesla-GPUs.
gener – für das Wesentliche beschränkter
– Umgebung und dynamischer, automati- 2. NVIDIA bietet mit seinen Tesla-GPUs die
scher Nutzung von Cloud-Rechnern.
weltweit schnellste und effizienteste HPCweiter zu verbessern und andererseits schneller zu Entwicklungsergebnissen zu kommen.
Jedoch ist die Nutzung von HPC-Ressourcen
für viele Anwender zu komplex und zu teuer. Daher nutzen einige Ingenieure weiterhin
Workstations und nehmen längere Laufzeiten in Kauf. In vielen mittelständischen Unternehmen fehlt auch das entsprechende
Know-how für HPC-IT-Lösungen.
Expertenrunde zu High Performance Computing | HARDWARE & PERIPHERIE | 043
Infrastruktur. Sie kann die Systemleistung verdreifachen. Ein breites Spektrum wissenschaftlicher
Anwendungen profitiert von den innovativen
Computing-Technologien und Merkmalen, die Anwendungsentwicklern und Forschern den Einsatz
von Hybrid-Computing erleichtern. Viele SoftwarePakete, die für die Industrie wichtig sind, wurden
auf GPUs optimiert. Darunter ANSYS, Abaqus, MSC
Nastran, IMPETUS Afea und andere Anwendungen
im Bereich der numerischen Strukturmechanik.
serem Know-how Unternehmen bei der Beantwortung dieser Fragen wertvolle Unterstützung bieten.
3. Um die Kosten möglichst niedrig zu halten, sollte der individuelle Leistungsbedarf bei möglichst
geringem Stromverbrauch angestrebt werden.
Ein ausgewogenes Verhältnis von CPUs und GPUs
in den OEM-Servern ist wichtig (CPU-/GPU-Ratio).
Außerdem sollte man GPU-beschleunigte Applikationen einsetzen.
1. Quer über alle Branchen hinweg stellt sich im
HPC-Bereich ständig das Problem des Datenma
nagements, sprich der Speicherung und der Verwaltung großer Datenbestände. Seien es Input-Daten
zur Analyse, beispielsweise im Life-Science-Bereich
oder die Ergebnisdateien von Simulationsläufen
zum weiteren Post-Processing.
Jan Wender,
Manager HPC Service
und Software bei der
science + computing ag
1. Wir sehen nach wie vor einen steigenden Bedarf an HPC in den Unternehmen. Doch für KMUs
ist einerseits der Investitionsaufwand für eigene HPC-Ressourcen oftmals zu hoch, andererseits
ist HPC aus der Cloud häufig noch nicht praktikabel. Gründe hierfür liegen im Lizenzrecht und bei
Sicherheitsbedenken sowie bei den Nutzungsbedingungen der OEM-Daten. Zudem fehlt vielfach
das entsprechende Know-how über den Einsatz
und die Optimierung von HPC-Umgebungen und
deren Integration in die Unternehmensinfrastruktur.
2. Gemeinsam mit unserer Konzernmutter, der BullGruppe, kann science + computing (s+c) Hardware, Software und Services für HPC aus einer Hand
liefern. s+c hat 25 Jahre Erfahrung in Betrieb und
Optimierung von HPC-Anwendungen und kennt
die Anforderungen industrieller HPC-Nutzer genau.
Damit sind wir in der Lage, unseren Kunden End-toEnd-Lösungen anzubieten. Und: Wir können unsere
Kunden unabhängig beraten – beispielsweise beim
Workload Management wissen wir die Vorteile von
IBM Platform LSF, Univa Grid Engine oder Slurm
effektiv für unsere Kunden einzusetzen.
3. Vor allem sollte der HPC-Cluster passend für die
Anwendung ausgelegt werden. Wie dimensioniere
ich die CPU-, Memory-, Netzwerk- und Plattenspeicher-Ausstattung richtig? Welches parallele File
system soll zum Einsatz kommen? Und kann ich bei
Leistungsengpässen zusätzliche Rechenleistung
aus der Cloud beziehen? Hier können wir mit un-
Dr. Oliver Tennert,
Director Technology
Management and HPC
Solutions bei der
transtec AG
2. Den oben genannten Herausforderungen lässt
sich entweder mit einem weitestgehend reduzierten Transfer großer Datenmengen oder mit einer
deutlichen Performance-Steigerung der Datenübertragung begegnen. Zum Einsatz kommende
Technologiekerne sind hierbei zum einen parallele Dateisysteme, die in jedem Fall einen deutlichen
Sprung in den Zugriffszeiten auf Daten führen.
transtec hat hierbei Erfahrungen bei Installation
und Management aller bestehenden FilesystemTechnologien wie Panasas, FraunhoferFS, GPFS oder
Lustre. Außerdem bieten wir speziell auf den industriellen Sektor zugeschnittene Lösungen zur performanten Remote-Visualisierung wie NICE DCV, das
bereits seit Jahren immer stärker beim Post-Processing von Simulationsdaten zum Einsatz kommt.
Darüber hinaus bieten wir bei der Implementierung dieser Technologien umfangreiche Dienstleistungen an, die den Kunden bei der Durchführung
derartiger Migrationsprojekte unterstützen.
3. Vor allem mittelständische Unternehmen, aber
auch einzelne Berechnungsabteilungen größerer
Unternehmen sollten in jedem Falle das Augenmerk nicht nur auf die zu Berechnungszwecken
zum Einsatz kommende Hardware legen. Vielmehr
sollte beachtet werden, dass es die Gesamtlösung,
also das individuelle Gesamtkonzept, bestehend aus
der Hardware sowie den zum Einsatz kommenden
Software-Komponenten für Management und Alltagsbetrieb ist, die für den Kunden den eigentlichen
Mehrwert darstellen. Letztlich geht es ja nicht da
rum, dass Kunden sich um das Low-Level-Management der Hardware oder das Setup kümmern, sondern dieses produktiv nutzen. transtec legt daher
seit jeher Wert auf eine umfassende und individuelle
Kundenberatung und eine gemäß den Anforderungen zugeschnittene Gesamtlösung, einschließlich
eines individuellen Service-Konzepts, um dem Kunden die größtmögliche Leistung zu bieten.
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044 | HARDWARE & PERIPHERIE | High Performance Computing
ISC’14 – 22. BIS 26. JUNI 2014
Supercomputing-Konferenz
in Leipzig
5 Tage, 30 Vortrags-Sessions, 300 Redner, 2.500 Teilnehmer, 170 Aussteller – das schaffen nur wenige IT-Konferenzen.
Die ISC’14 im Juni rückt die praktische HPC-Anwendung in Konstruktion und Entwicklung in den Mittelpunkt.
VON HOLM LANDROCK
Vor allem das kontinuierliche Wachstum
der Ausstellung in den letzten Jahren war
der Grund dafür, dass die ISC seit 2013 in
den geräumigeren Hallen des Konferenzzentrums der Leipziger Messe stattfindet.
Diskussionen wird es um den althergebrachten Linpack-Test geben. Ein neues Verfahren soll den Klassiker ergänzen.
I
n den letzten Jahren sind Supercomputer immer günstiger geworden und inzwischen sind Systeme für HPC-Anwendungen, zum Beispiel – aber nicht nur
– komplexe Crash- und Strukturanalysen
mit einigen Teraflops an Leistung, schon
für Entwicklungsabteilungen erschwinglich. Besonders einfach anzuwenden sind
dabei sogenannte Appliances, also vorgefertigte und komplett ausgestattete Racks
wie beispielsweise die Puresystems für HPC
von IBM.
Vor allem technische Anwender in der
Produktentwicklung sollen von solchen
Systemen profitieren. Die CAD-Modelle,
die die Workload darstellen, brauchen nach
Herstellerangaben nur noch im GUI (Graphical User Interface) per Drag and Drop
auf die HPC-Applikation gezogen zu werden. Spannend ist neben dem immer günstiger werdenden Preis-Leistungsverhältnis
auch die zunehmende Packungsdichte der
Systeme wie bei den Moonshot-Modellen
von HP.
Durchbruch im Engineering
Dieser Durchbruch des HPC in Richtung
Engineering ist auch auf der ISC in allen Ecken spürbar, sei es anhand der Forschungsprojekte aus den FraunhoferInstituten oder über die Systeme der
etablierten Hardware-Anbieter. Dementsprechend beeindruckend sind die schieren Eckdaten der Konferenz: 5 Tage, 30
Vortrags-Sessions, 300 Vortragende, 2.500
Teilnehmer, 170 Aussteller.
Industry-Tracks intensiviert
Die ISC ist nicht nur die älteste, unabhängige Supercomputing-Konferenz und -Ausstellung der Welt, sondern auch die Veranstaltung mit der größten Themenvielfalt für
Ingenieure. Das wurde bereits in den letzten Jahren in den so genannten IndustryTracks sichtbar.
In diesem Jahr wurde der IngenieursSchwerpunkt nochmals intensiviert. Der für
Entwickler aus der freien Wirtschaft konzipierte Programmschwerpunkt der ISC‘14:
„Industry Innovation through HPC“ thematisiert am Dienstag und Mittwoch der Konferenz, was heute State of the Art für Entwickler ist.
Gedenken an den Gründer der ISC
Eines wird dieses Jahr jedoch entschieden anders sein als bisher: Der Gründer
und langjährige Chairman der ISC, Prof.
Dr. Hans Meuer, ist im Januar dieses Jahres nach kurzer, schwerer Krankheit im
Alter von 77 Jahren gestorben. Die Weiterführung der ISC liegt in den Händen
seiner Söhne Martin und Thomas Meuer.
Langjährige Wegbegleiter Meuers gestalten in diesem Jahr – sicherlich mit zahlreichen Reverenzen an den ISC-Gründer –
die Keynotes, darunter Klaus Schulten von
der University of Illinois at Urbana-Champaign, Satoshi Matsuoka vom Tokyo Institute of Technology, Thomas Sterling von
der Indiana University und Karlheinz Meier
von der Universität Heidelberg.
High Performance Computing | HARDWARE & PERIPHERIE | 045
Geballtes Know-how: Die ISC lockt Supercomputing-Experten aus
aller Welt an.
Trotz gesunkener Kosten kann sich nicht jedes mittelständische Unternehmen einen Supercomputer in den
Serverraum stellen. Cloud-basierte Lösungen könnten helfen.
Industry Innovation through HPC
Im Programmschwerpunkt „Industry Innovation through HPC“ geht es am 24. und
25. Juni darum, sich mittels HPC künftig
Wettbewerbsvorteile zu verschaffen. Fachkräftemangel, der Schutz geistigen Eigentums und Time to Market sind in den Fertigungsunternehmen mehr ein Thema als je
zuvor. Gleichzeitig steigen die Anforderungen durch neue Materialien, durch Leichtbau und neue Fertigungsverfahren. Innerhalb dieser Fachgebiete lässt sich heute oft
nur noch dann ein Vorteil erzielen, wenn es
die neuesten Verfahren schnell aus der Forschung in die Praxis schaffen.
Die HPC-Lösungen rund um Simulation
und virtuelle Produktentwicklung leisten hier
inzwischen einen entscheidenden Beitrag.
Umso wichtiger ist es, die neuesten Entwicklungen zu kennen und auf ihre Nutzung in
Entwicklung und Fertigung zu prüfen.
An dieser Schnittstelle – dem Knowhow-Transfer zwischen Forschung und Industrie – setzen die Vorträge in diesem Programmschwerpunkt an.
Was in Forschungseinrichtungen als virtuelles Nervensystem beginnt, hat Einflüsse auf Robotik und Montagetechnik. Die
Erkenntnisse und Methoden der Raumfahrtforschung finden beispielsweise Anwendung in der Entwicklung sparsamerer
und somit ökologisch sinnvollerer Motoren. Die Methoden aus der Rohstofferkundung liefern Ansätze für die Verarbeitung
von Maschinen- und Sensordaten wie sie
– Stichwort Industrie 4.0 – künftig in der
automatisierten Fertigung anfallen und für
die Steuerung cyberphysischer Systeme
verarbeitet werden müssen.
Der Programmschwerpunkt „Industry Innovation through HPC“ richtet sich deshalb an
die Rechenzentrumsleiter aus der Industrie,
an Ingenieure und Konstrukteure und Anwender aus der Fertigung. Sie erhalten laut
den ISC-Veranstaltern in den Vorträgen Anhaltspunkte für die Auswahl der richtigen
Werkzeuge sowie die Beschaffung und Dimensionierung geeigneter Computersysteme.
Praktische Lösungsansätze
Dabei werden auf der ISC nicht nur aktuelle Themen aus der Wissenschaft diskutiert, sondern ganz praktische IT-Aufgaben
und -Lösungsansätze vorgestellt. Das reicht
vom Aufbau und Design von ComputerClustern über die Plattformen für CAE-Lösungen bis hin zum Umbau herkömmlicher
Rechner zu Supercomputern. Letzteres findet in der Session „Stranger in a Strange
Land: Running Linux Clusters in Microsoft
Environments“ statt.
Auch die Cloud ist ein Thema. Noch nicht
alle KMU, zu denen viele Ingenieurbetriebe
zählen, werden sich in absehbarer Zeit einen Supercomputer leisten können. Auch
wenn die Preise auf ein attraktives Niveau
sinken, wäre das immer noch eine gewaltige Investition für ein KMU. Die Session „HPC
Cloud-Based Simulation Services“ richtet
sich deshalb an genau diese Anwender.
CloudFlow, CloudSME und Fortissimo sind
hier Beispiele.
Linpack-Test auf dem Prüfstand
Der Linpack-Test ist seit rund 30 Jahren ein
anerkannter und bislang nicht ersetzbarer
Bewertungsmaßstab zur Ermittlung der
Die Besucher erwarten zahlreiche Vorträge und Diskussionen. Insbesondere für die Industrie wird es noch mehr Themen geben.
Bilder: Prometeus
Leistung von Computern bei der Verarbeitung von Gleitkommazahlen. Kritiker führen an, dass diese Berechnung nicht den
Fähigkeiten aller heute erhältlichen System
architekturen entspricht und zu stark auf
MPP-Systeme zugeschnitten ist. Wie vorab zu erfahren war, wird der Miterfinder
des Linpack-Benchmarks Jack Dongarra
auf der diesjährigen ISC voraussichtlich ein
zusätzliches Verfahren zur Bewertung von
Höchstleistungsrechnern vorstellen. Dieses
wird dann vermutlich stärker die Fähigkeiten von Clustersystemen berücksichtigen,
die seit einigen Jahren auf dem Vormarsch
JBI |
sind.
Holm Landrock arbeitet als IT-Journalist und
-Analyst in Berlin.
ISC’14 – DIE KOSTEN
Preise für „Industry Innovation through HPC“ (regulär, Online-Buchung) am Dienstag und Mittwoch:
pro Tag 200 Euro.
Tagespreise, weitere Spezialpreise und detaillierte
Informationen zu den Veranstaltungsbereichen gibt
es unter: www.isc-events.com/isc14.
PA R A L L E L E F I L E - S YS T E M E U N D R E M OT E - V I S UA L I S I E R U N G
Workflow-Optimierung
in der CAE-Umgebung
Neben effizienten Produktionsprozessen ist die Verkürzung der Entwicklungszeiten von Fahrzeugen, Maschinen oder auch
nur einzelnen Bauteilen einer der größten Erfolgsfaktoren in der Industrie. Vor allem in den CAE-Umgebungen moderner
Industriezweige wie der Automobil- oder der Luftfahrtindustrie besteht häufig jedoch noch großes Potenzial für WorkflowOptimierungen.
VON DR. OLIVER TENNERT
D
urch den ständigen Einsatz neuer Prozessor- oder Netzwerktechnologien hat die Rechen-Performance eines HPC-Clusters (High
Performance Computing) für Simulationsläufe in den letzten Jahren ständig zugenommen. Jedoch bleiben in vielen Entwicklungsabteilungen zwei mindestens
ebenso relevante technische Neuerungen
in großem Maße ungenutzt, obwohl ihr
Einsatz immens zur Workflow-Optimierung
und damit oft zu einer drastischen Verkürzung der Entwicklungszeiten beitragen
könnte, gemessen zwischen typischen Preund Post-Processing-Phasen. Die Rede ist
von parallelen Filesystemen für skalierbaren
HPC-Storage sowie von Remote-Visualisierungstechnologien.
Skalierbar in Performance
und Kapazität
In CAE-Umgebungen mit ihren typischen
Simulationsläufen für Strukturdynamik,
CFD oder NVH sind Datenaufkommen im
Terabyte-Bereich keine Seltenheit. Das Problem hierbei ist weniger die Ablage der ruhenden Daten, sondern die Performance
des notwendigen Hin- und Herkopierens
im Rahmen des Jobflows der Berechnung
und die davon abhängige Turnaround-Zeit
eines Jobs.
Oftmals müssen diese Daten auf einem
gemeinsamen Speicherbereich zwischengelagert werden. Typischerweise begegnet man in HPC-Clustern dieser Aufgabenstellung damit, dass ein zentraler Fileserver
den Rechenknoten via NFS einen gemeinsam zu nutzenden Bereich zur Verfügung
stellt, was vor allem auf größeren Clustern
auf einen Schlag die Grundproblematik
dieses Ansatzes offenbart: der NFS-Server
ist ein Flaschenhals und kommt den gebündelten Ressourcenanforderungen aller
Rechenknoten nicht mehr hinterher. Parallele Filesysteme stellen einen grundsätzlich
skalierbaren Ansatz zur Begegnung dieses
Problems dar und haben längst den technischen Stand eines Standards erreicht: parallel NFS (pNFS) als optionaler Bestandteil des
NFS-Standards 4.1.
Die ursprüngliche Problemstellung für
parallelen NFS-Zugriff wurde 2004 von
Garth Gibson, einst Professor an der Carnegie Mellon University und späterer Gründer
und CTO der Firma Panasas, beschrieben.
Mittlerweile ist Panasas als Enterprise-taugliche pNFS-Appliance seit langem in HPCUmgebungen jedweder Größe im Einsatz
und besticht neben seiner Performance
durch seine umfangreichen Management-Features, die die Verwaltung derartiger Speicherumgebungen so einfach wie
möglich gestalten. Durch die drei DesignPrinzipien „ease of management“, „performance“ und „data integrity“ hat sich Panasas seit Jahren zum Technologieführer im
Bereich Parallel Storage entwickelt.
Aber auch Open-Source-Lösungen wie
Lustre oder auch das von Fraunhofer ITWM
entwickelte FhGFS, das nun in BeeGFS umbenannt wird, erfreuen sich zunehmender
Beliebtheit, denn in Sachen Performance
stehen sie – eine angemessene Hardware
vorausgesetzt – Panasas in nichts nach.
Allerdings ist Performance, auch wenn es
seltsam klingt, eigentlich das kleinere Problem derartiger innovativer Storage-Technologien. Enterprise-Anforderungen in
Sachen Datenverfügbarkeit, einfaches Management, Datenintegrität sind es, die die
Metadata
Server
.1
4
FS
Co
ntr
N
ol
Pro
toc
ol
Storage Access Protocol
pNFS Clients
Storage Device
Die Grafik vermittelt einen schematischen Überblick über das pNFS-Protokoll.
Entwicklung dieser Technologien vor He
rausforderungen stellt, und in diesen Bereichen hinken derartige Open-Source-Produkte zurzeit noch hinterher.
Allen parallelen Dateisystemen ist jedoch
gemein, dass bei ihnen große Dateien in
kleinere Häppchen, sogenannte Chunks,
zerlegt, und diese parallel über das Netzwerk auf verschiedene Storage-Devices abgelegt werden. Dabei bleibt ein einheitlicher Namensraum erhalten: die Anwender
merken von diesem Vorgang außer einer
hohen Performance nichts, sondern wähnen die Daten nach wie vor auf einem normalen NAS-Filer. Durch diesen parallelen
Schreib-/Lesezugriff skaliert die Bandbreite
mit der Anzahl der Storage-Devices.
Zugriffsgeschwindigkeiten auf parallele Filesysteme zwischen zehn und fünfzig
GByte pro Sekunde sind keine Seltenheit.
Durch diese skalierbare Performance lässt
sich auf mittleren bis großen Simulationsclustern der Flaschenhals „Storage“ grundsätzlich eliminieren und damit die Job Turn
around Time verkürzen. Ebenfalls kann man
so auch die Low-Level-Grundlagen für ein
effizientes Simulationsdatenmanagement
(SDM) implementieren, mit Daten in einem
einheitlichen Namensraum in schnellem
Zugriff.
Remote Post-Processing
Neben parallelen Dateisystemen sind auch
Technologien zur performanten Remote3D-Visualisierung bereits längst entwickelt,
kommen aber immer noch selten zum Einsatz. Dabei ist einer der größten Zeitfresser
im Gesamt-Workflow der Transfer von Ergebnisdaten auf lokale Workstations, um
dort mit Post-Processing-Tools weiterverarbeitet zu werden. Neben der Zeitdauer für
den Transfer ist die doppelte Datenhaltung
im Prinzip reine Ressourcen-Verschwendung. Eine der wichtigsten Anforderungen
in CAD/CAE-Umgebungen sollte es doch
sein, dieses Optimierungspotenzial im
Workflow maximal auszunutzen. Die These für Remote-Visualisierung lautet: „Daten
dort analysieren, wo sie erzeugt werden,
nämlich auf dem HPC-Cluster.“
Neben Herstellern wie SGI oder HP, die
bereits seit langem entsprechende Software-Produkte entwickelt haben, gibt es
auch seit längerem Hardware-unterstützte
Lösungen wie von Teradici, die allerdings in
ihrem Einsatzbereich auf 1:1-Client-ServerVerbindungen limitiert sind.
Gerade für die speziellen Anforderungen des CAE-Umfelds spielt NICE DCV zu-
Remote-Visualisierung am Beispiel
von ANSYS.
sammen mit dem Job-Portal EnginFrame eine immer wichtigere
Rolle. NICE DCV besitzt insgesamt
ein sehr schlankes Setup und bietet neben dem primären Ziel, die
Grafik von 3D- beziehungsweise
OpenGL-Applikationen performant
über ein durchaus hochlatentes
Netzwerk zu übertragen, noch weitere Eigenschaften, die die Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung
typischer CAE-Umgebungen deutFinetuning der Remote-Session mit der NICE DCV Console. Bilder: transtec
lich aufzeigen.
NICE DCV wird auf einem Visualisierungs-Cluster implementiert,
dessen Sizing kundenindividuell nach An- Der Vorteil von NICE DCV liegt also dazahl sogenannter Concurrent Sessions er- rüber hinaus in einer äußerst effektiven
folgt. Es ergibt sich selbstverständlich ein Hardware-Auslastung und der damit verUnterschied, ob ein kleines Ingenieursbü- bundenen Kostenersparnis, da CAE/CADro mit drei Entwicklern oder die CAE-Ab- Workstations dadurch äußerst schlank
teilung eines Flugzeugbauers mit 200 Ent- ausgebaut sein können und sich die serwicklern Post-Processing betreibt.
verseitige GPU-Kapazität maximal ausnutEine der empfohlenen Setups bei NICE zen lässt.
DCV sieht die Einrichtung von Linux KVM
auf dem Host-Betriebssystem des Visuali- Großes Optimierungspotenzial
sierungs-Clusters mit NVIDIA GPUs vor, auf CAD/CAE-Workflows besitzen auch heutdem man virtuelle Maschinen unter Linux zutage noch großes Optimierungspotenund Windows betreibt. Diese stellen dann zial. Die hierfür notwendigen Technologiedie eigentlichen Produktivsysteme dar, auf kerne existieren bereits seit Jahren, allein
denen die CAD/CAE-Applikationen instal- der Umstand der kundenseitigen Ändeliert sind. Native Windows-Systeme wer- rungen in Prozessen und Abläufen stehen
den serverseitig ebenfalls unterstützt. Eine einer schnellen Einführung oft im Weg. Ein
der wichtigsten Bausteine von NICE DCV derartiges Migrationsprojekt stellt kundenist eine Hypervisor-Extension, die es er- seitig durchaus einen größeren Eingriff in
möglicht, die Grafikpower einzelner NVI- den Alltagsbetrieb dar, der genau geplant
DIA GPUs auf mehreren virtuellen Maschi- und gemanagt werden muss. Die dadurch
nen gleichzeitig zu nutzen – ein Feature, erzielten Kostenersparnisse und Verkürzundass keine andere Software-Lösung auf- gen der Job Turnaround Time rentieren sich
zeigt. Mit den neuesten NVIDIA GRID GPUs aber langfristig um ein Vielfaches des initiaRT |
und ihrer hardware-implementierten Vir- len Implementierungsaufwands. tualisierungs-Technologie entfällt zwar
grundsätzlich die Notwendigkeit dieses
Dr. Oliver Tennert ist Director Technology ManageFeatures, allerdings sind diese Karten nach ment & HPC Solutions bei der transtec AG.
wie vor sehr teuer.
Einer der Vorreiter in Sachen
HPC-basierter Simulation ist
sicher die Automobilindustrie –
aber andere Sparten holen auf.
Bild: fotolia.com
O P T I M A L E S H I G H P E R F O R M A N C E C O M P U T I N G F Ü R S I M U L AT I O N S A N W E N D U N G
Standard-Simulationstools tunen
High Performance Computing (HPC) hat die reine Wissenschaft verlassen und ist mittlerweile auch in der Industrie
angekommen. Allerdings nutzen Anwender nicht immer das volle Potenzial der HPC-Infrastruktur. Wie Unternehmen und
Organisationen Abhilfe schaffen können.
D
ie Anforderungen an Hochleistungsrechner steigen kontinuierlich, denn diese müssen den
Bedarf an immer schnelleren,
komplexeren und präziseren Simulationen
decken. Ebenso entscheiden sich auch immer mehr Zielgruppen für diese Technologien.
VON SVEN HANSEL
„Wir erleben einen radikalen Wandel im aktuellen HPC-Markt. Für den schnellstmöglichen Markteintritt und eine zügige Projektrealisierung setzt eine zunehmende Zahl
von Unternehmensanwendern auf HPC“,
kommentierte Andrew Carr, CEO des britischen Unternehmens Bull, unlängst in einem Presseartikel.
HPC-Tuning von Standardsoftware
Was Wissenschaftler wie Ingenieure benötigen, ist ein leistungsstarkes HPC, das den
gestiegenen Anforderungen auch tatsächlich genügt. Mit Blick auf die Simulation
(Computer-Aided-Engineering – CAE) ist
problematisch, dass die gängige Software
pre-compiled ist und der Anwender des-
dungsperformance? Lohnt sich
im individuellen Projekt die Investition in die schnellsten CPUs
wirklich? Und um welchen Faktor
steigen dabei die Energiekosten?
– Solche Fragen lassen sich beispielsweise in einem Beratungsgespräch klären.
Denn letztendlich bestimmen diese Fragen die einmaligen Investitionskosten und die
Gesamtkosten des Systems (Total Costs of Ownership – TCO).
Durch die Wahl der optimalen
Architektur lassen sich Energieund Lizenzkosten oft deutlich reduzieren.
Auswirkungen einzelner Optimierungen auf die Anwendungsperformance des Testsystems.
halb wenige Möglichkeiten für ein individuelles HPC-Tuning der Software hat. Gefragt sind deshalb sowohl Expertenwissen
als auch Tools, damit der Nutzer die optimale Leistung aus seiner HPC-Umgebung herausholen kann.
Star-CCM+ getunt
Die deutsche Bull-Tochter Science + Computing (s+c) hat sich deshalb dem Thema
HPC-Tuning im Detail angenähert. Dazu
kam ein Testsystem mit Star-CCM+ (in Version 8.02.008) zum Einsatz, als Bibliothek
diente Platform MPI 08.02, und getestet
wurde die Leistungssteigerung während
einer Aerodynamik-Simulation.
Als Methoden für die Effizienzsteigerung
nutzten die Experten CPU-Binding; hier
ordnet man bestimmte Tasks bestimmten
Prozessorkernen zu, Zone-Reclaim optimiert die Speicherperformanz bei Non-Uniform-Memory-Access (NUMA)-Systemen,
und Transparent Huge Pages erleichtern
die Speicherverwaltung. Zudem setzte s+c
Methoden ein, die auch PC-Anwender mitunter kennen: Turbo Boost, eine Funktion
zur automatischen Übertaktung von IntelHauptprozessoren, sowie Hyperthreading,
eine Implementierung von hardwareseitigem Multithreading, also Parallelverarbeitung auf der Ebene des Simultaneous Multithreading (SMT).
Beachtliche Leistungssteigerung
Als Ergebnis dieser technischen Veredelung steigerte das CPU-Binding (je nach
Hardware) die Leistung der vorhandenen
Benchmark-Umgebung um 25 Prozent,
Zone Reclaim schaffte zusätzliche 23 Prozent – insgesamt also ein beachtlicher Wert,
der nur durch die Anpassung weniger Stellschrauben realisiert werden konnte.
Ein Sinn für Architekturen
Aber auch bei Neuanschaffungen von HPCHardware und bei der Optimierung heterogener Cluster mit unterschiedlichen Knoten-Architekturen ist ein tiefes Verständnis
der Abhängigkeiten und Verhaltensweisen
der einzelnen Applikationen hilfreich, um
die richtige Plattformentscheidung treffen
zu können:
Profitieren die Anwendungen eher von
höheren Taktfrequenzen oder von mehr
CPU-Cores? Welche Auswirkungen hat
die Nutzung von Funktionen wie Hyper
threading oder Turbo Boost auf die Anwen-
Tuning erfordert Durchblick
Das Maximale aus einer HPC-Umgebung herauszuholen, ist eine
ausgesprochen diffizile Angelegenheit. Im
Falle des vorgestellten Testsystems hat sich
beispielsweise gezeigt, dass das genutzte
Star-CCM+ stark von der CPU-Taktfrequenz
abhängt (85 bis 88 Prozent) Durch die Aktivierung von Turbo Boost können in diesem
speziellen Fall Lizenzkosten reduziert werden. Bei anderen Anwendungen und Systemen können sich jedoch völlig andere
Stellschrauben ergeben.
Das bedeutet, dass Anwender nicht auf
das Gießkannenprinzip setzen sollten. Ein
maßgeschneidertes Tuning hat mehr Aussicht auf Erfolg – in Form einer bestmöglichen Performance zu geringstmöglichen
JBI |
Gesamtkosten.
Sven Hansel ist IT- und Wirtschaftsjournalist in Köln.
Abhängigkeit der Performance von der CPU-Taktfrequenz im Falle des Testsystems.
Bilder: Science + Computing
FIREPRO-W9100-GPU – 2,62-TERAFLOP-DOUBLEPRECISION-LEISTUNG
AMDs neues Flaggschiff
Anfang April hat AMD die Firepro W9100 als Nachfolger der W9000 vorgestellt. Dabei ist die neue Karte, auch wenn es die
Namensgebung suggeriert, laut AMD nicht nur ein sachtes Update, denn in allen Bereichen soll sie dem bisherigen Modell
weit überlegen sein.
Innere Werte: Die W9100 verbirgt
ihre Leistung unter einem
schlichten Kleid.
E
ine Auflösung von 4K –
sprich vierfache Full-HDAuflösung – Unterstützung der OpenCL (Open
Computing Language) in Version 2.0 und
bis zu 2,62 Tflops Doubleprecision- beziehungsweise 5,24 Tflops SingleprecisionLeistung. So lauten die rohen Fakten, die
in etwa die Leistungsfähigkeit der neuen
AMD-Grafikkarte greifbar machen. Um es
noch greifbarer zu machen: Die Geometrie
leistung im Bereich CAD (Singleprecision)
hat sich im Vergleich zur W9000 damit
verdoppelt und die Simulationsleistung
(Doubleprecision) hat sich sogar mehr als
das – zumindest auf dem Papier.
Compute-Engines vervierfacht
Noch interessanter könnte sein, dass die
Karte mit viermal mehr Compute-Engines
(acht statt bisher zwei) aufwartet. Das führt
laut AMD zu einer besseren Hardware-Auslastung, wenn der Konstrukteur auf der
Workstation gleichzeitig im CAD-System
konstruiert, während im Hintergrund eine
Simulation abläuft.
Die 4K-Auflösung
ist aufgrund der
gesunkenen Preise für entsprechende Displays
– davon kann die
W9100 übrigens
gleich sechs Stück
ansteuern – zwar
auch für die Bereiche Konstruktion und
Simulation relevant – die
Domäne der feinen Pixel ist jedoch
traditionell im Bereich Design-Visualisierung und Virtual Reality (VR) zu sehen.
Besonders der immense Grafikspeicher
von 16 GByte besten GDDR5-RAMs fällt
in der Spezifikation ins Auge. AMD möchte hiermit wohl nochmals unterstreichen,
dass sich die neue Karte besonders für datenintensive Simulationen und für fotorealistische Visualisierungen eignet – neben
den Ingenieursanwendungen zielt AMD
damit zudem auf die Video- und Film-Produktion, in der neue 4K-Workflows immense Speicheransprüche wecken.
OpenCL in Version 2.0
Während Konkurrent Nvidia mit Cuda
eigene Wege geht, um die verteilte
Abarbeitung von Rechenoperationen
durch die Grafikkarte zu ermöglichen,
setzt AMD weiterhin auf den ursprünglich von Apple entwickelten OpenCLStandard, der von der W9100 in Version
2.0 unterstützt wird.
Damit sollen sich laut AMD die parallele Computing-Power von modernen
GPU- und CPU-Multicore-Systemen
bestens ausreizen lassen. Das 2.0 bedeutet dabei, dass neue Feature dazu
kommen, die zunächst die Möglichkeiten der Softwareentwickler erweitern
– um dann auch vom Anwender genutzt werden zu können.
Workstation oder Supercomputer?
Die reine Spezifikation vor Augen wirkt die
W9100 für einfache CAD-Anwendungen
schon fast überdimensioniert. Bei waschechten Simulanten dürften die Daten aber
Freudentränen oder schlaflose Nächte hervorrufen – bis die Workstation am Arbeitsplatz steht. Umso mehr, als dass AMD eine
Spezifikation für sogenannte Ultra-Workstations ausgearbeitet hat.
Je nach Konfiguration werkeln bis zu
vier W9100 in den teils unscheinbaren
Gehäusen der Systemintegratoren Armari, Boxx Technologies, Colfax, Lumaforge,
Mouse Computer, PSSC Labs, Scan Computers, SilverDraft, Supermicro, Tarox, Versatile Distribution Services, Workstation
Specialists und Wortmann – die sich gerade mit der Umsetzung dieser Super-Workstations befassen.
Wer nicht warten möchte, kann oder
muss, wird bereits jetzt im HP-Programm
mit den HP-Z820- und HP-Z620-Workstations fündig.
JBI |
Neues Format: Die Ultra-Workstations stemmen in MaxiBilder: AMD
mal-Ausstattung über 20 Tflops.
P R I VAT E C L O U D - L Ö S U N G F Ü R C A E - A N W E N D U N G E N
HPC in der Cloud
Altair bietet mit HyperWorks Unlimited eine komplette Private-Cloud-Lösung an, mit der sich bei komplexen EngineeringAnwendungen Zeit und Kosten einsparen lassen. Das Produkt umfasst vorkonfigurierte HPC-Hard- und Software für den
unlimitierten Zugang zur kompletten Altair-Software.
D
ie Simulationsmodelle sind in der
virtuellen Produktentwicklung in
den letzten Jahren immer umfangreicher, präziser aber auch
rechenintensiver geworden. Dadurch ist
auch der Bedarf an High-PerformanceComputing-(HPC)-Ressourcen gerade im
Engineering-Umfeld exponentiell gewachsen und „Cloud“-Anwendungen werden
in vielen Industriebereichen als möglicher
Lösungsweg untersucht und bereits eingesetzt. Allerdings scheuen sich gerade in Europa noch viele Unternehmen davor, die im
Netz angebotenen HPC-Cloud-Lösungen,
zum Beispiel Amazon Webservices oder das
Äquivalent von Google, wirklich zu nutzen.
Zu groß ist die Angst vor Datenverlusten
oder
Industriespionage. Nichtsdestotrotz
steigt der Bedarf an Rechenleistung und
die Unternehmen sind gefordert, Strukturen und Arbeitsabläufe zu schaffen, die diesen Herausforderungen gerecht werden.
Um auf Dauer wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen sie Lösungen finden, die ihren
Bedarf an High-Performance-ComputingRessourcen decken und gleichzeitig höchste Datensicherheit garantieren.
Die zentralen Bedenken bei der Nutzung
von Cloud-HPC-Lösungen innerhalb des
CAE-Umfeldes waren bisher: die mangelnde, flexible Skalierbarkeit der Anwendungslizenzierung nach dem jeweiligen Bedarf,
die Wartezeiten, die mit dem Transfer großer Daten zwischen Clustern und lokalen
Rechnern bei der Auswertung und Visualisierung dieser Daten einhergehen und
die Sorge um die Datensicherheit bei der
Verwendung öffentlicher Cloud-Systeme.
Altair hat jetzt ein Angebot entwickelt, mit
dem Unternehmen diesen Bedenken entgegentreten können.
Altair HyperWorks Unlimited
Altairs HyperWorks Unlimited ist eine moderne, private Cloud-Lösung, die den
VON EVELYN GEBHARDT
unlimitierten Zugang zur kompletten
Altair-Software inklusive aller HyperWorksAnwendungen sowie allen PBS-WorksWorkload-Management-Werkzeugen ermöglicht. So wird der Zugang zu High
Performance Computing (HPC) für die Anwender von CAE-Software erleichtert und
der Weg für fast grenzenlose Design Exploration, zum Beispiel stochastische Robustheitsuntersuchungen und Optimierungen,
geebnet.
HyperWorks Unlimited ist ausgelegt, Aufgaben mit massiv parallelisierten Anwendungen, etwa von CFD-und FEA-Solvern,
zu bearbeiten. Außerdem enthält es Altairs
Display Manager, ein webbasiertes Portal zur Daten-Visualisierung, das es – auch
in Netzwerkumgebungen mit hohen Latenzzeiten –ermöglicht, auf grafikintensive, interaktive HyperWorks-Anwendungen
zuzugreifen. HyperWorks Unlimited ist für
HPC-Anwendungen optimiert und vorkonfiguriert und bietet einen raschen Zugriff
auf Pre- und Post-Prozessoren.
Komplettlösung für HPC
Altair arbeitet bei HyperWorks Unlimited
partnerschaftlich mit einem namhaften
Hardwareanbieter zusammen und bietet
damit auch hardwareseitig eine Komplettlösung für Compute-, Netzwerk- und Speicherressourcen. Das System skaliert von
64 bis mehrere Tausend CPU-Cores und
beinhaltet eine zentrale Infrastruktur für
unlimitierten Zugriff auf alle HyperWorksAnwendungen, für Datenablage auf einem Multi-Terabyte-Storage-System und
für Remote-Visualisierung für Pre- und
Postprocessing. Außerdem ist das System
Intel „Cluster Ready“ zertifiziert, was dem
Produkt den Status einer Plug-and-PlayLösung für High Performance Computing
(HPC) bescheinigt.
Die Lösung ist bereits bei vielen Kunden im Einsatz, zum Beispiel bei Mubea,
HyperWorks Unlimited von Altair ist eine leistungsfähige
Bild: Altair
private Cloud-Lösung für HPC-Anwendungen.
einem wichtigen Automobil-Zulieferer im
Bereich Leichtbaulösungen mit Sitz in Attendorn. Die Vorteile einer privaten HPCCloud-Lösung wie HyperWorks Unlimited sind offensichtlich. Schon eine Stunde
nach Inbetriebnahme war das System voll
einsatzfähig und ermöglichte Simulationsdurchläufe in der Hälfte der sonst benötigten Zeit. Wartungsaufgaben müssen nicht
von der IT-Abteilung des Unternehmens
übernommen werden, da das System vollständig von Altair gewartet wird.
„Mit HyperWorks Unlimited sind wir in
der Lage, unsere „Tailor Rolled Products“ effizienter zu optimieren als jemals zuvor. Es
ist ein wirklich unglaubliches Produkt, das
unseren Ingenieuren Zugriff auf alle Softwarelösungen gibt, die sie benötigen, komplett konfiguriert und sofort einsetzbar“,
resümiert Björn Scholemann, Leiter CAE bei
RT |
Tailor Rolled Blanks. DIGITAL ENGINEERING Magazin 04-2014
052 | BRANCHE | Automotive
L A D E S T E C K V E R B I N D E R F Ü R D I E E - M O B I L I TÄT
Konformität und
Interoperabilität
Eine einheitliche Ladeinfrastruktur ist eine wichtige Voraussetzung für die Akzeptanz der Elektromobilität. Genormte
Ladesteckverbinder sorgen dabei für den zuverlässigen Ladevorgang. Damit der Ladestecker immer in den „Tankdeckel“
passt, sind einige Punkte zu beachten.
VON BERND HORRMEYER
Der DC-Ladestecker Typ 2 des Combined Charging Systems (CCS)
passt in die gleiche Ladebuchse am Fahrzeug, in die auch der ACLadestecker Typ 2 passt.
U
m die elektrische Energie im Fahrzeug zu speichern, ist das konduktive Laden der am weitesten
entwickelte Ansatz. Dabei wird
elektrische Energie in Form von Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) mit Hilfe
einer Ladeleitung zwischen der stationären
Infrastruktur und dem Fahrzeug übertragen.
Am Markt hat sich inzwischen das langsame Laden mit AC sowie Schnellladen mit
DC etabliert. Für Europa hat die Europäische
Kommission den Typ-2-Stecker als gemeinsamen Ladestecker für das AC-Laden und
den hierauf aufbauenden DC Connector Typ
2 für das DC-Laden vorgeschlagen.
Der E-Mobilist möchte Produkte
unterschiedlicher Hersteller nutzen können.
Er formuliert die Anforderung, dass sein eingesetzter Steckverbinder mit einem beliebigen Produkt gleicher genormter Bauform
zusammen funktioniert und dabei immer
die gleiche Leistungsfähigkeit aufweist. In
der Industrie wird in diesem Kontext mit den
Begriffen Konformität und Interoperabilität
gearbeitet. Unter Konformität versteht man
die Vereinbarkeit eines Produktes mit einer Beschreibung – etwa die geometrische
Beschrei
bung und die zu absolvierenden
Tests. Im Gegensatz hierzu beschreibt der
Begriff der Interoperabilität die Fähigkeit verschiedener Produkte zur Zusammenarbeit.
Hersteller führen Bauartprüfungen an
ihren Produkten durch, damit diese mindestens den Anforderungen der Norm
entsprechen. Hierzu wird eine Steckverbindung aus Produkten mit Stift- und Buchsen-Kontakten dieses Herstellers verwendet. Erfolgreiche Tests bewirken, dass die
Konformität mit dieser Norm und die Interoperabilität untereinander festgestellt
werden. Bei einer Steckverbindung mit Produkten unterschiedlicher Hersteller ist dies
dank der geometrischen Spezifikationen in
der Norm problemlos möglich – die elektrische Verbindung lässt sich herstellen.
Erhöhung des Übergangswiderstandes vermeiden
Jede Bauartnorm ist so gestaltet, dass sich
viele Parameter vom Hersteller frei auslegen lassen. Materialien für die Kontakte, Isolierkörper und Gehäuse sind ebenso
frei wählbar wie auch die Beschaffenheit
der Kontaktoberflächen (Bild 1). Dies hat
zur Folge, dass unterschied
liche Material- oder Oberflächen-Paarungen nicht
zwangsläufig die erwartete Leistungsfähigkeit über den gewünschten Zeitraum
erbringen. Beispielsweise werden die
Andruckkräfte der Buchsenkontakte auf die
Oberflächen
materialien an den zu erreichenden Übergangswiderstand und an die
gewünschten Steck- und Ziehkräfte angepasst. Motivation für die unterschiedlichen
Kontakt
ausführungen sind oft unter-
schiedliche Annahmen zu den Einsatz
bedingungen hinsichtlich Fremdkörper,
Schadgase, Steck- und Ziehkräfte – aber
auch wirtschaftliche Argumente. Ist die
Konstellation mit verschiedenen Produkten
auf der Stift- und Buchsenseite nicht stimmig, kann es zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes und damit dem Verlust
der Interoperabilität kommen.
Verantwortlich hierfür ist oft die Relaxation – also die Verringerung – der Federkonstante der Buchsenkontakte, die aus
einem elektrisch leitenden und federnden
Material aufgebaut sind. Im entlasteten Zustand ist deren innerer Durchmesser geringer als der der Stiftkontakte. Im gesteckten
Zustand bewirkt der Stiftkontakt eine Bewegung der federnden Buchsen-Lamellen. Daraus resultiert eine Federkraft, die als
Normalkraft senkrecht auf den Stiftkontakt
wirkt. Die Relaxation führt primär durch höhere Temperaturen zu einer Abnahme der
Federkraft bei gestecktem Stiftkontakt.
Wird der Steckverbinder nun mit einem
höheren Strom belastet, führt dies bei ungeeigneten Kontaktpaarungen zu einer
Kontakterwärmung, die wiederum die Relaxation begünstigt. Nimmt nun die Normalkraft ab, verringert sich die Berührfläche zwischen Buchsen- und Stiftkontakt, so dass der
Übergangswiderstand ansteigt. Dann wird
Bild 1: Kontakte können mit Silber (links) oder gar
nicht (rechts) beschichtet werden – dann bildet das
Messingmaterial gleichzeitig die Oberfläche.
Automotive | BRANCHE | 053
Die Andruckkraft eines Buchsenkontaktes wird
durch die Relaxation vermindert.
ein sich selbst verstärkender Mechanismus
ausgelöst, der schnell zum Ausfall des gesamten Kontaktsystems führen kann (Bild 2).
Kontaktoberflächen aus Edelmetall
Auch die Reibkorrosion, die durch eine geringe Relativbewegung an den Berührflächen
von Stift- und Buchsenkontakt entsteht,
kann zu einem erhöhten Übergangswiderstand führen. Die Relativbewegung bewirkt
einen Abtrag des Materials an der Oberfläche sowie einen Transport dieser Partikel außerhalb der gasdichten Kontaktzone. Diese
Partikel können hier Schadgasen ausgesetzt
sein, und die ungeschützte Metalloberfläche
der Partikel kann korrodieren. Die oxydierten
Partikel sind üblicherweise härter als das Basismaterial, so dass sie wie ein Schleifmittel
wirken und den Effekt verstärken. Die Folge ist, dass die Kontakte auch außerhalb der
gasdichten Berührpunkte beschädigt wer-
den und korrodieren. Daraufhin steigt der
Übergangswiderstand zwischen Buchse und
Stiftkontakt, was bei höheren Strömen zu
einer unzulässigen Erwärmung führen und
den Effekt der Relaxation verstärken kann.
Um dies zu verhindern, versieht man die
Kontaktoberflächen mit einer nicht korrodierenden Edelmetall-Oberfläche. Fremde Partikel lassen sich so in die relativ weiche Oberfläche des Edelmetalls einbetten, so dass sie
wirkungslos sind und keine Angriffsflächen
für Korrosion bieten (Bild 3).
Bei höheren Ladeströmen, wie sie beim
AC- und DC-Laden auftreten können, ist der
Übergangswiderstand an den Kontakten zu
betrachten. Hier entstehende Verlustleistungen können zur Erwärmung und im Extremfall auch zum Ausfall der Steckverbindung
führen. Am einfachsten ist es, hier nur Produktpaarungen eines Herstellers zu nutzen,
da er diese gemeinsam testet. Damit ist neben der Konformität auch die Interoperabilität gegeben. Möchte man dennoch Produkte verschiedener Hersteller miteinander
kombinieren, sollte der Anwender Produkte
mit edlen Kontakt
oberflächen und hochwertigen Kunststoff
materialien verwenden. Denn dann hat jede Produktkombination den geringsten Übergangswiderstand,
die geringste Kontakterwärmung sowie die
Fremdpartikel erhöhen den Widerstand (links),
während geeignete Oberflächensysteme für einen gleichbleibenden Kontaktwiderstand sorgen
(rechts).
höchste Widerstandsfähigkeit gegenüber
Verschleißeffekten.
Fazit: Ladesteckverbinder müssen vielfältigen Belastungen standhalten. Die Konformität dieser Produkte mit der Norm garantiert deren Steckbarkeit mit einem Produkt
eines anderen Herstellers, so dass die elektrische Kontaktierung erfolgt bei einer sicheren Verriegelung. Eine Interoperabilität unter allen Umständen ist jedoch nicht
gegeben. Erst mit qualitativ hochwertigen
Steckverbindern kann der Anwender von
einer zuverlässigen Funktion ausgehen.
Ladesteckverbinder von Phoenix Contact
leisten mehr als normativ gefordert – und
gestalten den Ladevorgang damit auf lange Sicht bequem und sicher.
RT |
Dipl.-Wirt.-Ing. Bernd Horrmeyer ist Fachreferent für
Standardisierung bei Phoenix Contact in Blomberg.
ANFORDERUNGEN AN LADESTECKVERBINDER
Phoenix Contact bietet mit der Produktlinie der Ladestecksysteme eine zuverlässige
Anschlusstechnik für die Energieversorgung rund um die Elektromobilität. Ladestecksysteme von Phoenix Contact für AC und DC sind sicher, zuverlässig und benutzerfreundlich. Mit den Ausführungen Typ 1, Typ 2 und GB sowie mit dem DC-Connector Typ 1 und Typ 2 des Combined Charging Systems (CCS) steht ein komplettes
Ladestecker-Sortiment aus einer Hand für alle gängigen Ladeverfahren zur Verfügung. Die komfortable Handhabung mit ergonomisch geformtem Griff erleichtert
die Bedienbarkeit, und dank hochwertiger Materialien und stabiler Bauweise sind
die Steckverbinder robust und langlebig. Durch ein mehrstufiges Verriegelungssystem zwischen Ladestecker und Fahrzeug ist ein sicherer Einsatz gewährleistet.
Seminar
Innovative Technologien für
Verpackungsmaschinen und
Abfüllanlagen
24.-25. Juni 2014
Die Lade-Standards sind inzwischen auch international etabliert: Die
Übersicht zeigt die Steckgesichter für AC- und DC-Laden – das Symbol CCS steht dabei für das Combined Charging System.
Bilder: Phoenix Contact
Automatische Verpackungs- und Abfüllanlagen
nehmen heutzutage einen herausragenden Platz
in der Wertschöpfungskette von verschiedensten
Produkten mittlerer bis großer Stückzahlen ein.
Die hierbei anzutreffenden Anwendungen
finden sich in praktisch allen Branchen von der
Lebensmittelindustrie über die pharmazeutische
und chemische Industrie bis hin zum Maschinenbau
und zur Elektrotechnik wieder.
Das Ziel dieses Seminars liegt darin, ausgehend
vom industriellen Stand der Technik in der
Verpackungsbranche über innovative Technologien
in Komponenten Maschinen und Anlagen bis hin
zu aktuellen Fragestellungen in der Forschung einen
differenzierten Einblick zu vermitteln.
Anzeige-WZL-Verpackungsseminar-2014-03-24-THE.indd 1
Kontakt & Informationen:
WZLforum an der RWTH Aachen
Steinbachstraße 25, 52074 Aachen
Frau Dana Manoliu
Tel.: +49 (0)2 41 / 80 236 14
d.manoliu@wzl.rwth-aachen.de
www.WZLforum.rwth-aachen.de
26.03.14 10:07
054 | BRANCHE | Automotive
SCHNELLERE PRODUKTENT WICKLUNG DURCH VIRTUELLE PROTOTYPEN
Mehr Sicherheit
im Fall des Falles
Virtuelle Prototypen haben in der Automobilentwicklung ihren festen Stellenwert. Durch die vielfältige Nutzung der
virtuellen Prototypen können Produktentwicklungskosten gesenkt und Entwicklungszeiten gleichzeitig reduziert
werden. Deshalb hat sich die Crash-Simulation als Standard zur Absicherung der passiven Sicherheitsfunktionen
etabliert.
VON PROF. DR. ULI GÖHNER
D
ie zugrundeliegenden Algorithmen und Methoden, die bei der
Crash-Simulation zum Einsatz
kommen, gehen auf die Ende der
1970er Jahre an den Livermore Laboratory
in den USA entwickelte explizite Finite-Elemente-Methode zurück.
Seit dieser Zeit hat man die eingesetzten
kommerziellen Simulationsprogramme wie
beispielsweise LS-DYNA durch viele Diskretisierungsmethoden erweitert. So eröffnen
beispielsweise ALE-Methoden (Arbitrary
Lagrange Eulerian), SPH (Smmoth Particle
Fahrzeughersteller setzen für Crash-Simulationen komplexe virtuelle Prototypen ein.
Bild: Adam Opel AG
Hydrodynamics) EFG (Element Free Galerkin), DEM (Discrete Element Method) und
Isogeometrische Elemente eine Vielzahl an
neuen Modellierungsmöglichkeiten, um
die Prognosegüte der Crash-Simulation
weiter zu erhöhen. So lassen sich beispielsweise mit den neu entwickelten isogeometrischen Elementen die bei der Beschreibung der CAD-Geometrie eingesetzten
NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) als
Ansatzfunktion verwenden. Dies ermöglicht eine genauere Abbildung der realen
Geometrie und eine bessere Approximati-
onsgüte der berechneten numerischen Näherungslösung.
Ein ganz wesentlicher Punkt ist neben
den funktionalen Erweiterungen auch die
Performance der Simulationssoftware auf
massiv parallelen Rechnerarchitekturen.
Damit sich die extrem detaillierten Modelle
auch effektiv simulieren lassen, ist ein hoher Parallelisierungsgrad erforderlich. Alle
Programmteile müssen deshalb im Hinblick auf die Gesamt-Performance ständig
optimiert und angepasst werden. Für heutige Simulationsmodelle, die aus etwa zehn
Millionen Elementen bestehen, nutzt man
derzeit Rechencluster, die jede Simulationsvariante parallel auf 200 Cores starten. Der
Rechenbedarf ist groß, da für die Produktfreigabe eine Vielzahl von Anforderungen
erfüllt sein muss.
Automotive | BRANCHE | 055
Modellierung von
High-End-Materialien
Im Automobilbau kommen zur Gewichtsreduktion in zunehmendem Maße hochfeste Stähle, Leichtmetalle, faserverstärkte
Kunststoffe und Verbundstrukturen zum
Einsatz. Für eine zuverlässige Prognose des
Materialverhaltens sind komplexe Materialmodelle nötig, deren zahlreiche Parameter
man mittels aufwendiger Laborexperimente bestimmen muss. Für die in der Crash-Simulation essenzielle Prognose des Materialversagens muss auch die Vorschädigung
des Materials durch den Herstellprozess
berücksichtigt werden. Deshalb sind viele Automobilhersteller dazu übergegangen, in der Prozess-Simulation dieselbe
Simulationssoftware zu nutzen wie in der
Crash-Simulation. Damit lässt sich sicherstellen, dass die in der Prozess-Simulation
bestimmten Schädigungsparameter sich
auch bei der Crash-Simulation berücksichtigen lassen.
Crashtest-Dummies
und Verletzungskriterien
Gurt und Airbag sind heutzutage weltweit
etablierte Rückhaltesysteme. Bei der Auslegung dieser Systeme hat sich viel getan.
Heute stimmt man die Auslösemechanismen der einzelnen Airbags und Insassenschutzsysteme genau aufeinander ab, um
den Fahrzeuginsassen situationsbedingt
einen besseren Schutz vor Verletzungen
zu bieten. Die Verletzungskriterien werden
im realen Crashtests mit den bekannten
„Crashtest-Dummies“ getestet. Zu jedem
Testdummy gibt es auch einen virtuellen
Gegenpart, der den Aufbau des Testdummies genau widerspiegelt. Allerdings lassen sich damit nur die standardisierten Verletzungskriterien der Dummies simulieren,
beispielsweise Kopfbeschleunigungen an
ausgewählten Sensorpunkten. Für das tat-
sächliche Verletzungsrisiko eines menschlichen Fahrers bei einem Unfall sind Aussagen damit nur über statistische Methoden
zu treffen.
Verletzungen reduzieren
durch virtuelle Menschmodelle
Um das reale Verletzungsrisiko abschätzen
zu können, kommen in der Insassensicherheit auch Simulationsmodelle für einen
kompletten Menschen zum Einsatz. In diesen Menschmodellen sind alle Knochen,
Organe, Muskeln und die Haut exakt und
detailliert modelliert und deren Materialparameter erfasst. Dadurch lassen sich
wirkliche Verletzungen von Organen
oder Knochenbrüchen simulieren.
Mit Hilfe der Simulation kann man
die Rückhaltesysteme so auslegen, dass sich die tatsächlich
auftretenden
Verletzungen
des Fahrzeuginsassen reduzieren lassen.
Neben dem Einsatz von hochfesten Stählen, Leichtmetallen, faserverstärkten Kunststoffen und Verbundwerkstoffen
ist auch eine optimierte Bauform ein wesentliches Einsatzmittel, um das Fahrzeuggewicht unter Beibehaltung der funktionalen Eigenschaften zu reduzieren. Die
aus der linearen statischen Berechnung
bekannten Topologie-Optimierungsmethoden können auch auf die nichtlinearen
dynamischen Problemstellungen, die in
der Crash-Simulation auftreten, übertragen
werden. Auch die Bestimmung der optimalen Blechdickenverteilung oder die Gestalt
optimierung über geometrische Parameter lassen sich für eine Gewichtsreduktion
verwenden. Da neben der Crash-Sicherheit
auch andere funktionale Kriterien erfüllt
sein müssen, setzt man häufig Optimierungsalgorithmen ein, die in der Lage sind,
multidisziplinäre Optimierungsziele zu definieren.
Big Data – auch in der Simulation
Zum Nachweis der passiven Sicherheit
müssen die Ingenieure eine Vielzahl von
unterschiedlichen Lastfällen simulieren.
Hierzu zählen Tests zum Front-, Seiten- und
Heckaufprall, aber auch Tests zur Sicherheit
von Kindersitzen und Fußgängern sind ein
wichtiges Thema. Für jeden Lastfall ist eine
Vielzahl von Geometrievarianten zu simulieren und die Simulationsmodelle werden
immer komplexer. Ein Simulationsdatenmanagement wird deshalb immer wichtiger. In vielen Fällen sind die Simulations-
Das Dummy-Modell
WorldSID50 v3.0.
Bild: DYNAmore GmbH
ergebnisse bereits
automatisch
auswertbar und mit Hilfe
von Datenbanktechniken
zu verwalten. Komprimierungsmethoden, die auf die
spezifischen Eigenschaften der Simulationsergebnisse optimiert sind, lassen sich
zur Kompression der Daten verwenden.
Damit kann man den Aufwand für die Datenhaltung und Archivierung der Ergebnisse drastisch reduzieren.
Summa summarum lässt sich festhalten,
dass die in der Crash-Simulation eingesetzten Softwarewerkzeuge mittlerweile einen hohen Reifegrad erreicht haben. Eine
zuverlässige Prognosegüte ist heute Standard. Deshalb ersetzen viele Fahrzeughersteller und Zulieferbetriebe in zunehmendem Ausmaß ihre Testaufwände durch
virtuelle Prototypen. Um dem gewachsenen Rechenbedarf gerecht zu werden,
nutzen die Rechenzentren Clusterarchitekturen, die aus Standardkomponenten aufgebaut sind. Die aktuellen Herausforderungen in der Crash-Simulation liegen weniger
im Bereich der Rechnerleistung, sondern
mehr im Bereich der Materialmodellierung
und Validierung der eingesetzten Modelle
und Methoden für moderne Materialien
und Materialverbünde. Hier ist eine enge
Partnerschaft zwischen wissenschaftlichen
Instituten, CAE-Softwareentwickler und
Automobilhersteller wichtig, damit sich die
entwickelten Methoden effektiv zur Produktverbesserung einsetzen lassen. R T |
Prof. Dr. Uli Göhner ist Leiter Software-Lösungen
bei der DYNAmore GmbH.
056 | ANTRIEBSTECHNIK | Mechatronische Integration
M E C H AT R O N I S C H E A N T R I E B S PA K E T E V O N L E N Z E
Ideal auf die Aufgaben
zugeschnitten
Antriebe sind oft überdimensioniert und benötigen zu viel Energie. Das ist wenig effizient. Lenze hat sich dieser Problemstellung angenommen und altbekannte, häufig genutzte Lösungen in Frage gestellt. Das Ergebnis: mechatronische
Antriebspakete, die genau auf die jeweilige Maschinenaufgabe zugeschnitten sind.
Die Kombination aus Lenze Smart Motor und der Getriebereihe g500 macht den Maschinenbauern das Leben in Sachen
Drehmoment und Drehzahlübersetzung leichter.
S
anftes Anfahren, Fahren bei konstantem Tempo, gelegentliches Abbremsen und Beschleunigen: Auf ein
hohes Anlaufmoment folgt ein niedriges Dauermoment. In der Regel kommen
dabei Antriebe zum Einsatz, die entweder
direkt am Netz betrieben oder mit einem
Softstarter ausgerüstet sind. Das hat jedoch
gravierende Nachteile: es erfordert mehrere
unterschiedliche Getriebeübersetzungen.
Lenze hat genau hingesehen, welche Anwendungen es gibt und was für diese wirklich benötigt wird – zum Vorteil der Maschinenbauer und Anlagenbetreiber. Die daraus
entstandenen mechatronischen Antriebspakete sind auf die jeweilige Maschinenaufgabe zugeschnitten. Speziell für die horizontale Fördertechnik bietet der Spezialist für
Motion Centric Automation eine neue Lösung an: eine Kombination aus Lenze Smart
Motor und der brandneuen Getriebereihe
g500, die dem Maschinenbauer auch in Sachen Drehmoment und Drehzahlübersetzung das Leben leichter macht.
„In der Intralogistik ist rund die Hälfte der
elektrischen Antriebe in der horizontalen
Fördertechnik im Einsatz“, erläutert Prof. Dr.
Holger Borcherding, fachlicher Leiter des
Bereichs Innovation bei Lenze. „Die Mehrzahl dieser Antriebe sind direkt am Netz betriebene Asynchronmotoren, deren Drehzahlen an die Netzfrequenz gekoppelt sind.
Daher ist hier für jede Anwendung eine
eigene Getriebeübersetzung notwendig.
In der Fördertechnik benötigen viele Anwendungen ein höheres Anlaufmoment
im Vergleich zum Dauerdrehmoment. Die
Folge: Der Netzmotor ist zu groß dimensioniert und verbraucht daher zu viel Energie
im Dauerbetrieb. Eine übliche Alternative
dazu ist der Einsatz eines Frequenzumrichters mit hoher Komplexität, um den Motor
in der Anlaufphase effizienter anzusteuern
und verschiedene Drehzahlen, sanftes Anfahren und Abbremsen zu realisieren. Das
hohe Anlaufmoment wird durch einen größer dimensionierten Frequenzumrichter erreicht.“
VON RUNE FRIIS-KNUTZEN
Mechatronische Integration
bringt Intelligenz in den Antrieb
Lenze geht einen anderen, einen neuen
Weg: Die neueste mechatronische Antriebslösung, bestehend aus einem Lenze
Smart Motor und der fein abgestuften Getriebereihe g500 vereint das Einfache eines
Netzmotors mit den Vorteilen einer elektronischen Ansteuerung. Elektronik und
Software sind in den Antrieb integriert, so
verschmelzen Mechanik, Elektronik und
Software zu einer Einheit. Der Vorteil: Die
Drehzahl des Motors wird intelligent und
passgenau in Drehmoment übersetzt. Und
um Überdimensionierung zu vermeiden, ist
das Anlaufmoment viel höher.
Die Kombination aus Lenze Smart Motor
und der Getriebereihe g500 eröffnet einen
einfachen Weg, eine intelligente Antriebslösung für horizontale Fördertechnik zu
realisieren und den herkömmlichen Netzmotor abzulösen. Die Drehzahl und das Beschleunigen/Abbremsen lässt sich direkt
am Motor mit Lenze-App und Smartphone
via Near Field Communication (NFC) einstellen, so etwas kann ein herkömmlicher
Netzmotor nicht. Durch die frei einstellbare Drehzahl reduziert sich die Variantenvielfalt von Getriebemotoren um bis zu
70 Prozent, ein aufwändiges Variantenmanagement entfällt, die verringerte Lagerhaltung reduziert nachhaltig die Kosten.
Mit einer einzigen Motor-/Getriebekombination sind Motordrehzahlen von 500 bis
2.600 Umdrehungen pro Minute bei konstantem Drehmoment möglich. Das ist eine
gute Nachricht für den Maschinenbetreiber, denn erfahrungsgemäß benötigt man
für ein Logistikzentrum bis zu 15 verschiedene Motortypen, um den erforderlichen
Mechatronische Integration | ANTRIEBSTECHNIK | 057
Leistungsbereich abdecken zu können. Die
hohe Variantenvielfalt ergibt sich durch die
zahlreichen Getriebestufen. Jede zusätzliche Ausgangsdrehzahl und jede Baugröße des Motors benötigt eine separate Getriebeübersetzung. „Dadurch sind schnell
mehr als hundert Motor-/Getriebevarianten erforderlich“, erklärt Borcherding. Dies
ist dank der mechatronischen Antriebslösung von Lenze Vergangenheit.
Vorgeschriebene Energieeffizienz
bereits erfüllt
Mit dem elektronischen Ansteuern eines
einfachen Netzmotors erfüllt die LenzeLösung schon heute die von der Europäischen Kommission geforderte umweltgerechte Gestaltung von Elektromotoren, die
den Übergang zu Motoren der Effizienzklasse „Premium efficiency“ (IE3) fordert.
Durch einen durchgängig hohen Getriebewirkungsgrad von mindestens 94 Prozent
verbessert sich zusätzlich die Energieeffizienz des gesamten Antriebssystems. Das
äußert sich nicht nur in sinkenden Betriebskosten, sondern erspart das Umrüsten auf
Motoren mit einer besseren Energieeffizienz. Bislang muss der Anlagenbetreiber das
Umrüsten fest mit einplanen. Daran gekoppelt ist in vielen Fällen die Neuauslegung
von allen Getriebeübersetzungen. Ein weiterer Aspekt: Ein IE3-Motor hat eine höhere Drehzahl, weil er weniger Verluste und
weniger Schlupf hat als ein Motor mit einer
geringeren Energieeffizienzklasse. Deshalb
steigt möglicherweise der gesamte Energiebedarf eines Antriebssystems durch den
Einsatz von IE3-Netzmotoren. „Wenn man
die Übersetzung nicht ändert, dreht das
Förderband schneller und benötigt damit
mehr Energie. Hier sind böse Überraschungen vorprogrammiert, wenn der Betreiber
der Anlagen feststellt, dass der Energiebedarf trotz teurer Technik steigt. Die geregelte Drehzahl des Lenze Smart Motors
verhindert diesen Effekt“, fügt Prof. Dr. Borcherding hinzu.
Fazit: Die mechatronische Antriebslösung von Lenze ist neu gedacht und auf die
Anforderungen der Fördertechnik genau
zugeschnitten, viele Aufgaben sind damit
einfacher lösbar als bisher. Die Maschinenbauer und Anlagenbetreiber profitieren in
mehrfacher Hinsicht: vom einfachen Bedienkonzept, vom geringeren Energieverbrauch und dadurch sinkenden Betriebs-
Die mechatronischen Antriebspakete aus der neuen g500-Getriebereihe und dem Lenze Smart Motor sorgen für mehr ProduktiviBilder: Lenze
tät und Zuverlässigkeit in der Fördertechnik.
kosten, von einer Variantenreduktion und
damit dem Wegfall eines kostenintensiven
Variantenmanagements. Last but not least
erfüllt die Lösung schon heute die Anforderungen der Europäischen Kommission an
die umweltgerechte Gestaltung von Elek
tromotoren (IE3), was ein Umrüsten auf IE3Motoren vermeidbar macht und Zukunftssicherheit bietet. RT |
Rune Friis-Knutzen ist Leiter Strategische Produkt-/
Marktentwicklung bei Lenze in Hameln.
Messe und Kongress für Geoinformation · Bern, 3. bis 5. Juni 2014
Salon et congrès de la géoinformation · Berne, du 3 au 5 juin 2014
Lösungen für eine Welt im Wandel | Solutions pour un monde en évolution
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058 | ANTRIEBSTECHNIK | Multiachs-Steuerungen
B I S Z U 9 6 E L E K T R I S C H E AC H S E N R E G E L N FA D E N S PA N N U N G A N W I R K M A S C H I N E
Komplexe Muster
ohne viel Kabel
Oft ist in der Automatisierung ein komplexes Zusammenspiel vieler Achsen gefragt. Wie sich dabei trotz einer explodierenden Zahl Achsen dramatisch Verkabelungsaufwand zum Schaltschrank und Rechenleistung in der SPS sparen lässt, zeigt ein
Beispiel aus dem Textilmaschinenbau.
VON JAN TAUSEND UND ANDREAS ZEIFF
Ansteuerung der vielen verbauten Achsen
und auch bei der Umrüstung der Anlage im
Betrieb realisieren.
Wirkmaschinen verarbeiten mehrere tausend Fäden mittels Nadeln und Hilfselementen in einem komplexen maschenbildenden
Verfahren. Die Entwicklung geht hin zu einer wachsenden Zahl
einzeln steuerbarer elektrischer Achsen.
S
chneller, höher, weiter gilt in vielen
Bereichen der Automatisierungstechnik: Bei Verpackungs- ebenso
wie bei Sortieranlagen oder Fertigungsmaschinen. Auch moderne Textilmaschinen machen hier keine Ausnahme.
Höchste Produktionsleistung bei einfacher
Bedienung und am besten alles in einem
skalierbaren System sind typische Vorgaben. Auch der Spezialist für Wirkmaschinen,
die Karl Mayer Textilmaschinenfabrik GmbH
aus Obertshausen, entwickelt nach diesen
Anforderungen.
Um der Forderung nach steigenden Fertigungsgeschwindigkeiten Rechnung zu
tragen, setzen die Entwickler auf Schrittmotoren, um die Fadenspannung konstant zu halten. Als Partner für die Antriebstechnik kamen Schrittmotorexperten von
JVL Industrie Elektronik hinzu. Zusammen
wurde eine neuartige, feinfühlige Kontrolle
der Fadenspannung entwickelt. Gleichzeitig ließen sich enorme Fortschritte bei der
Flexible Wirkmaschinen
Neben hohen Produktionsgeschwindigkeiten ist die schnelle Reaktion auf individuelle Kundenwünsche ein wichtiger Faktor für den geschäftlichen Erfolg. Schnelles
Umrüsten auf andere Muster ist daher für
eine Textilmaschine ebenfalls ein wichtiges Thema. Der Anlagenhersteller strebt
zudem einfache, skalierbare Systeme an,
um den Kundenwünschen nach schnell
und individuell einrichtbaren Maschinen
zu entsprechen.
Eine Wirkmaschine stellt mit Hilfe eines
Systems aus verschiedenen Nadeln, die in
Barren zusammengefasst sind, und Hilfselementen meist elastische Maschenware her.
Alle Nadeln bewegen sich dazu gemeinsam und bilden aus mehreren tausend parallelen Fäden eine Reihe Maschen und damit den fertigen Stoff.
Die Maschinentypen aus dem Bereich
Spitze und Gardinen benötigen je nach
Ausstattung zwischen 2 und 96 Zuführachsen für Musterfäden, die im sogenannten
Liberty-Gestell jeweils auf dafür vorgesehenen Musterbäumen aufgespult sind.
Jede Achse hat dabei bis zu 48 oder
mehr Musterfäden, die der Maschine dann
parallel zugeführt werden. Dabei wird jede
Achse aktiv mittels eines Motors mit einem
Fadenzuführwert vorgesteuert und dann
einzeln auf ihre vom Kunden vorgegebene
Fadenspannung hin kontrolliert und gegebenenfalls nachgeregelt.
Bei bisherigen Anlagen mussten für neue
Muster oder geänderte Fadenspannung die
jeweilige Fadenbremse im laufenden Be-
trieb exakt einjustiert werden. Das erforderte
neben viel Geschick auch einen hohen Zeitaufwand und verbrauchtes Material.
Die Obertshausener Spezialisten ersetzten daher die Bremse durch Schrittmotoren. Hier können die einmal vorgegebenen
Daten schon vor dem Start schnell per Bus
an den jeweiligen Motor ausgegeben werden, die Anlage arbeitet sofort mit den richtigen Werten.
Wollte man aber alle bis zu 96 Achsen allein über die SPS der Wirkmaschine ansteuern, wäre das Volumen für die Datenübertragung von der SPS zu den Aktoren und die
Rechenbelastung in der SPS viel zu hoch
und zusätzliche Prozessoren notwendig.
Abhilfe konnten hier die mit dezentraler Intelligenz ausgerüsteten JVL-Antriebe
schaffen. Die integrierte Elektronik übernimmt die eigentliche Rechenarbeit für den
Schrittmotorbetrieb, die SPS gibt nur noch
das jeweilige Musterprogramm vor. Um eine
der Maschinengeschwindigkeit angemessene Reaktionszeit zu erreichen, verarbeitet
jede Antriebselektronik zusätzlich noch die
Daten eines lokalen Fadenzugkraftsensors.
So können kürzeste Regelzeiten für jede einzelne Achse eingehalten werden.
Aktive Fadenkontrolle
Das neue Konzept verbessert aber nicht nur
die Flexibilität und Leistungsfähigkeit der
Wirkmaschine, sondern spart auch viel Platz
im Schaltschrank durch die Sensorauswertung vor Ort und die Informationsübertragung per CANopen-Bus zur SPS. Statt großer
Kabelstränge werden nur noch die 24-VDCStromversorgung und die Busleitung als
Anbindung des Liberty-Gestells zur SPS benötigt. Tobias Kieser aus der Elektrokonstruktion von Karl Mayer kommentiert: „Diese
Multiachs-Steuerungen | ANTRIEBSTECHNIK | 059
Lösung benötigt weniger Leistungsreserven
bei besserer Performance und bringt einen
nicht unerheblichen Zeit- und Kostenvorteil
bei Montage und Inbetriebnahme.“
Zusätzlich zum geringeren Bauaufwand
erlaubt die aktive Regelung per Schrittmotor eine gegenüber der herkömmlichen
Bremse enorm verbesserte Kontrolle über
die Fadenspulen und damit der Spannung
im Faden. Bremsen können naturgemäß
nur den Faden verlangsamen, also den
Zug erhöhen, die Schrittmotoren dagegen
können ebenso feinfühlig bremsen wie beschleunigen. Das macht sich bei Mustern
für flexible Gewirke bemerkbar. Es kann
auch für besondere Effekte genutzt werden: Ist der Fadenzug hoch, so kann sich
das Muster nach dem Wirken zusammenziehen, auch können die unterschiedlichen
Fadenmaterialien nach einer einmaligen
Einstellung mit der immer gleichen Einstellung aus dem SPS-Speicher verarbeitet
werden. Das erhöht die Flexibilität der Maschine weiter und reduziert Rüstzeiten.
Bisher wurde die Fadenspannung mittels mechanischer Fadenbremsen gesteuert. Eine neue Technik regelt die Fadenspannung von bis zu 96 Musterbaumachsen durch jeweils einen
separaten Schrittmotor.
umfasst Antriebe von 1,1 bis 2,9 Newtonmetern, spielfreie Planetengetriebe mit Untersetzungen von 3, 5, 10, 20 und 100:1 sind
optional lieferbar.
Der Controller bietet folgende Schnittstellen: PC/SPS-Kommandos können über
5V seriell und RS458 übertragen werden,
als Bus stehen CANopen und DeviceNet zur
Verfügung. Es gibt einen Puls-/Richtungsund Encoder-Eingang, die acht Ein-/Ausgänge für 5-28-V(DC) können als Eingang,
Ausgang oder Analogeingänge konfiguriert werden. Eine integrierte Mikro-SPS mit
Schrittmotor mit Köpfchen
Die in der beschriebenen Maschine ver- grafischer Programmierung ist eingebaut.
bauten zweiphasigen Schrittmotoren mit Geplant ist die Erweiterung auf Profibus DP,
integrierter Ansteuerelektronik vereinen Ethernet, Bluetooth und Zigbee Wireless.
Motor und Controller auf engstem Raum.
Durch die Intelligenz vor Ort kann der
Die eingesetzte Ausführung baut bei nur Antrieb in fünf verschiedenen Betriebsmo57 mal 57 Millimeter Flanschfläche und di arbeiten: In der Betriebsart Puls/Richtung
118 Millimeter Länge und 1,2 Kilogramm arbeitet der Motor mit einer Auflösung von
Gewicht kaum größer als ein konventio- 200, 400, 800, 1.000 oder 1.600 Pulsen/Umneller Antrieb. Das Nennmoment beträgt drehung, bei der Positionier- oder Dreh1,6 Newtonmeter, die maximale Drehzahl zahlsteuerung wird per Encoder mit 1.024
liegt bei 1.000 Umdrehungen pro Minu- Pulsen/Umdrehung erfasst und eine evente, das Nennmoment bei 500 Umdrehun- tuelle Blockade gemeldet.
gen beträgt 0,6 Newtonmeter. Das GehäuMit einer Dualversorgung bleiben bei eise mit den Anschlüssen ist in Schutzklasse nem Notstopp so aktuelle Position und PaIP55, die Kabeldurchführungen mit M12 rameter erhalten. Der Positionier- und Geausgeführt. Die Durchführungen können schwindigkeitsmodus arbeitet mit Befehlen,
ab 50 Stück auch individuell nach Kun- die über die Schnittstelle empfangen werdenwunsch gestaltet werden. Die Bauserie den. Im Getriebe-Modus verhält sich der
QuickStep wie ein Schrittmotor,
mit jedem Spannungsimpuls am
Takteingang bewegt sich der Motor um einen Schritt weiter. Eine
Funktion „elektronisches Getriebe“ mit eingegebenem Übersetzungsverhältnis kann die extern
vorgegebene Pulsfrequenz variieren. Im Register-Modus wie im
Falle der Wirkmaschine dagegen
erhält der Motor im Speicher Daten wie die vorgegebenen Positionen, Geschwindigkeiten, Drehmoment, Beschleunigungswerte
Mittels kostenfreier Software mit übersichtlicher grafischer Darstellung lassen sich die Motoren programmieren.
der aktuellen Systemvorgabe. Die
Pro Musterbaumachse überprüft ein Sensor die Spannung des ausgewählten Referenzfadens. Die Sensorsignale verarbeitet die in die Antriebe integrierte
Bilder: JVL und Karl Mayer
Elektronik.
Register können mit einem einzigen Bit über
die Schnittstelle ausgewählt und ausgeführt
werden. Der Motor übernimmt dann selbsttätig die gesamte Positioniersequenz.
Ein einfaches Setup und schnelle Programmierung gewährleistet eine spezielle
Software. Mit ihr lassen sich über 95 Prozent
eines typischen Programms mit Hilfe einfacher Symbole erstellen. So kann beispielsweise die Betriebsart gewählt, wichtige Einstellungen wie Drehzahl, Motorstrom oder
Referenzfahrt geändert beziehungsweise
eine Echtzeitüberwachung wichtiger Motorparameter eingerichtet werden.
Alle Daten dazu lassen sich auf der PCFestplatte speichern und können von dieser bei Bedarf auch wieder hergestellt werden, falls die permanente Speicherung im
Motor ausfallen sollte.
Die übersichtliche grafische Darstellung
erlaubt eine schnelle Einarbeitung, das
Hauptfenster ändert sich mit dem eingestellten Modus und zeigt dann nur die relevanten Daten für diese Betriebsart (Bild 4).
Die Motorfirmware wie auch die Programmiersoftware kann über Internet jederzeit
aktualisiert werden.
Dezentrale Intelligenz spart Kosten
Für Anlagen, die ein komplexes Zusammenspiel vieler Achsen erfordern, ist die Kombination aus Schrittmotor mit integriertem
Controller ideal. Bei nur unwesentlich größerem Antrieb erspart die Intelligenz vor
Ort nicht nur Rechenleistung in der SPS,
sie reduziert auch den kostenträchtigen
Verkabelungsaufwand enorm. Im späteren
Betrieb macht sich dies bei Wartung oder
Ersatz ebenfalls positiv bemerkbar; die Total Cost of Ownership einer solchen Anlage
JBI |
wird deutlich niedriger ausfallen.
Jan Tausend ist Vertriebsleiter D-A-CH bei JVL in
Reutlingen.
Dipl.-Chem. Andreas Zeiff ist Redakteur beim Redaktionsbüro Stutensee.
060 | ANTRIEBSTECHNIK | Motion Control
V E R F Ü G B A R K E I T, Q UA L I TÄT U N D E F F I Z I E N Z B E I D E R H E R S T E L LU N G V O N S I C H E R H E I T S PA P I E R O P T I M I E R T
Direkter Weg zur Effizienz
Sicherheitspapier bildet die Grundlage fälschungssicherer Dokumente, Ausweise und Aktien – und vor allem von Papiergeld. Bei der Herstellung entsprechender Drucksiebe setzt der Maschinenbauer Schoen + Sandt auf modernste Antriebsund Steuerungstechnik.
VON CHRISTIAN SCHWARZ
M
erkmale wie das Wasserzeichen
machen Sicherheitspapier erst
zu dem, was es ist. Auf Banknoten heben sogenannte Weißwasserzeichen beispielsweise den Betrag
hervor. Technisch übertragen Rundsiebe in
der Papiermaschine die Wasserzeichen auf
das Sicherheitspapier. Diese Siebe, deren
Herstellung ein langwieriger Prozess ist, bestehen aus Bronze. Im Prozessverlauf wird
das Hauptmotiv in einem ein- bis zweistufigen Prägevorgang auf das plane Drahtgeflecht gebracht.
Das Muster des Weißwasserzeichens
hingegen wird nach und nach durch Aufschweißen sogenannter Elektrotypen („ETypes“) erzeugt.
Umstellen auf Direktantriebe
Die Schoen + Sandt Machinery GmbH aus
Pirmasens stattet weltweit Sicherheitspapierfabriken mit Anlagen zur Herstellung
dieser speziellen Siebe aus. Seit 1962 entwi-
Schoen + Sandt fertigt vollautomatisch
arbeitende Siebpräge- und E-TypeSchweißanlagen für die Hersteller von
Sicherheitspapier.
Besonders der Direktantrieb
trägt zur gesteigerten Produktivität und Qualität der Anlagen
bei, hier mit fast 17 Meter langen, magnetfreien Sekundärteilen am Spannrahmen.
ckelt das Unternehmen Prozess
und Anlagen ständig weiter
und setzt dazu auf die jeweils
neuesten Technologien, insbesondere in der Steuerungsund Antriebstechnik.
Zu den jüngsten Innovatio- Der einfach aufgebaute Lineareantrieb macht verschleißbehaftete
nen speziell auf diesem Gebiet Zahnriemen, Spindeln und Getriebe überflüssig. Die Sekundärteile
gehört die Umstellung auf line- (unten) lassen sich für lange Verfahrstrecken aneinanderreihen.
are Direktantriebe – zum einen
für den Transport des Siebspannrahmens riemen, Kugelrollspindeln, Getriebe und
in Längsrichtung durch alle Arbeitsschritte dergleichen komplett entfallen. Durch Abwie Prägen, E-Type-Schweißen und Laser- solutwertgeber an allen Achsen erübrigt
schneiden in einer Aufspannung und zum sich das Referenzieren und das System
anderen zum Positionieren von Ober- und weiß auch nach einer Unterbrechung der
Unterstempel des Prägekopfes sowie des Stromzufuhr, wo es steht, so dass der ProSchweißroboters samt Gegenelektrode auf zess nahtlos fortgeführt werden kann.
Portalen in Querrichtung.
Eine weitere Neuerung ist der Einsatz ei- Reibungs- und verschleißfrei
ner servomotorisch angetriebenen Spindel Die in den Bildern gezeigte Anlage ist das
am Revolver-Prägekopf anstelle des vor- Herzstück der Siebwerkstatt für eine außermals hydraulischen Systems.
europäische Sicherheitspapierfabrik. Sie
beinhaltet eine Laserschneidanlage zum
Zahnriemen, Spindeln
Besäumen der Siebkanten, Freischneiden
und Getriebe passé
von Löchern in der Stützlage und SchneiIn der aktuellen Maschinengeneration den von Streifen für Kompensations- und
kommen Simotics-Linearmotoren zum Ein- Stützsieb.
satz, die sich mit einem hochauflösenden
Zudem gehören zur Ausrüstung: eine
Wegmesssystem vom Zulieferer Heiden- Prägeeinheit mit automatischem Werkhain zu einem hochpräzisen Direktantriebs- zeugwechsler, ein automatischer Schweißsystem kombinieren.
roboter für E-Types und ein Rüstbereich
Mit dem Direktantrieb konnten fehlerbe- zum komfortablen Aufspannen. Der Mahaftete Übertragungselemente wie Zahn- schinenbauer liefert immer exakt an die
jeweils vorhandenen Papiermaschinen
angepasste Komplettsysteme mit individueller Ausstattung – aktuell für Siebgrößen von bis zu 4.000 mal 5.000 Millimeter.
Bindeglied zwischen den Stationen ist ein
über die Gesamtlänge von knapp 17 Metern verfahrbarer Spannrahmen, der das
Sieb präzise unter den verschiedenen Aggregaten positioniert und fixiert.
Dazu sind an beiden Längsseiten des
Rahmens je zwei Linearmotoren der Reihe Simotics L 1FN6 montiert. Das Besondere daran sind die magnetlosen, dadurch
Motion Control | ANTRIEBSTECHNIK | 061
kostengünstigen Sekundärteile, die sich
zu langen Fahrstrecken verbinden lassen.
Die magnetischen Primärteile sind mit der
Rahmenkonstruktion verbunden und über
einen Luftspalt von den Sekundärteilen
getrennt. Dadurch bedarf es keiner hochpräzisen Längsführungen. Das Antriebssystem arbeitet reibungsfrei und somit praktisch verschleißfrei.
Die beiden Primärteile einer Seite sind parallel an ein Leistungsteil des modularen Antriebssystems Sinamics S120 angeschlossen.
Dieses hält den Aufbau kompakt. Die beiden
Paare sind in der Regelungseinheit des Motion-Control-Systems Simotion D elektronisch
zu einem Gantry-Verband verknüpft. Die
hohe Steifigkeit des Direktantriebs sorgt für
absoluten Gleichlauf und verhindert ein Verkanten im laufenden Betrieb.
„Ein Vorteil der Linearmotoren ist, dass
sie beim Kommutieren nicht verfahren
werden müssen und sich somit nicht versehentlich in entgegengesetzte Richtungen
bewegen können. Damit sind Verspannungen und Schäden an der Rahmenkonstruktion ausgeschlossen“, betont Arne Springer,
Elektrotechniker bei Schoen + Sandt.
Präzision vor Dynamik
Der Maschinenbauer hat sich nicht an erster
Stelle wegen der Dynamik, sondern wegen
der hohen Präzision für die linearen Direktantriebe entschieden. Damit werden die
geforderten Toleranzen beim Positionieren
des Spannrahmens in Längsrichtung von
unter ± 0,1 Millimetern mühelos erreicht.
Noch engere Toleranzen von ±0,05 Millimetern bei einer Wiederholgenauigkeit von
±0,01 Millimetern werden beim Verfahren
des Prägekopfes und des E-Type-Roboters
in der Querrichtung erreicht –
Wasser- und
beides realisiert
Weißwasüber die Lineserzeichen
armotoren mit
schützen
vor Fälmagnetischem
schungen.
Sekundär teil.
Automatisch geprägtes und mit aufgeschweißten
E-Types komplettiertes Sieb für die Herstellung von
Sicherheitspapier mit Wasserzeichen.
Bilder: Siemens AG und Schoen + Sandt Machinery
Besondere Anforderungen in puncto Genauigkeit stellt dabei das Positionieren von
Ober- und Unterstempel des Prägekopfs zueinander, die unabhängig voneinander über
die Linearmotoren verfahren werden. Schon
geringste Abweichungen von Patrize und
Matrize könnten das Siebmaterial oder die
Werkzeuge beschädigen.
Servomotor ersetzt Hydraulik
Alles in allem koordiniert das antriebsbasierte Motion-Control-System Simotion
D455 an der beschriebenen Anlage die
Bewegungen von insgesamt 11 Antriebsachsen – darunter auch den bislang hydraulisch realisierten Hub des Prägekopfs.
Dieser arbeitet nur bei Bedarf und spart im
Vergleich zu einer ständig laufenden Pumpe eines Hydrauliksystems Energie. Er ist zudem deutlich leiser und leckagefrei.
Für diesen Hub sorgt ein Servomotor, der
bis zu 150 Kilonewton Presskraft am Spindelantrieb erzeugen kann, die sich – erfasst
über eine Druckmessdose – sehr feinfühlig
und Hub für Hub absolut konstant einbringen lässt. Der Automatisierungsausrüster
hat mit Hilfe des grafischen ProgrammierTools Motion Control Chart (MCC) einen
einfach bedienbaren Prägeablauf realisiert.
Der Anwender kann unter anderem Prägekraft, Geschwindigkeit, Verweildauer und
Position vorgeben und individuelle Verfahrprofile erstellen.
Weitere Simotics-Motoren realisieren die
Drehbewegungen des Prägekopfs und des
darin befindlichen Revolvers in 90-GradSchritten und analog dazu die des Unterteils in 180-Grad-Schritten.
Beim vollautomatischen Aufschweißen
der E-Types werden die Prozessparameter
wie Schweißstrom, -zeit und -druck ständig
überwacht, was im Vergleich zum händischen Verfahren zu deutlich höherer Qualität und Kontinuität führt.
Die Kopfsteuerung der Prägemaschine übernimmt ein Industrie-PC (IPC) mit
echtzeitfähiger, fehlersicherer SoftwarePLC (Simatic WinAC RTX-F). Dieser erhält
die Produktionsdaten über ein PEPS/CAMInterface aus dem überlagerten CAMSystem, übersetzt und übergibt diese als
Verfahrprogramm via Profinet an das Motion-Control-System.
Selbstlernende Kamera
kompensiert Abweichungen
Ein zweiter Simatic IPC steuert ein „selbstlernendes“ Kamerasystem, mit dessen
Hilfe sich aus dem Verzug des Siebmate-
Das Herz der Anlage ist das Motion-Control-System Simotion D
in der Aufbautechnik des modularen Antriebssystems Sinamics
S120. Die beiden Primärteile einer Anlagenseite sind parallel an
ein Motormodul (Leistungsteil) des modularen Antriebssystems
Sinamics S120 angeschlossen.
Aus dem Produktportfolio von Siemens generiert Schoen
+ Sandt individuell an die Gegebenheiten der jeweiligen
Sicherheitspapierfabrik angepasste Automatisierungslösungen.
rials beim Prägen resultierende Lageabweichungen der E-Types automatisch kompensieren lassen.
Herausforderung für jeden Maschinenbauer ist, die vielfältigen Möglichkeiten
und Funktionen derart umfangreicher
Komplettanlagen einfach bedienbar zu gestalten. Die Pirmasenser haben dafür einen
„Leitstand“ in Sichtweite zu den Kernprozessen Prägen und Schweißen eingerichtet
und dafür industrietaugliche Desktop-Monitore (SCD 19101 mit/ohne Touch-Funktionalität) eingesetzt. Ein tragbares MobilePanel unterstützt das Einrichten.
Siebherstellung drastisch verkürzt
All diese Aggregate und Funktionen verkürzen die Siebherstellung drastisch: Der
vollautomatische Prozess dauert im Zweischichtbetrieb nur noch drei Arbeitstage,
während die konventionelle, teils noch
händische Herstellung – je nach Ausstattung der Siebwerkstatt – bis zu drei Wochen in Anspruch nehmen kann.
JBI |
Christian Schwarz ist Vertriebsbeauftragter der
Business Unit Drive Technologies bei Siemens in
Saarbrücken.
062 | CAD & DESIGN | Datenaustausch
PRAXISWISSEN FÜR DIE JT-PLMXML-KONVERTIERUNG
Originaldaten in JT und
PLMXML speichern
Im Zuge des 3D-Datenaustauschs zwischen Unternehmen wie beispielsweise der Daimler AG und Zulieferern sowie Entwicklungspartnern dient JT und PLMXML in vielen Prozessen als Datenformat. Core Technologie hat ein Tool entwickelt,
mit dem man native CAD-Daten inklusive Meta-Informationen überführen kann.
D
ie JT-Daten beschreiben sowohl
tesselierte als auch exakte XTGeometrien sowie Zusammenbaustrukturen, die in der PLMXMLBaugruppenstruktur dargestellt werden.
Besonders wichtig beim Datenaustausch
sind außerdem Informationen wie PMI (Product Manufacturing Information), Metadaten und Attribute aus den originalen CADDaten wie Catia V5 oder Creo, die in der
JT-Datei gespeichert sind.
Das PLMXML-Format als Baugruppenstruktur referenziert auf die Bauteile im JTDatenformat. Durch die Verwendung von
PLMXML-Daten werden die Lageinformationen und Stammdaten – wie die Sachnummern der Bauteile – von nativen CADDaten mit übertragen.
Die
zertifizierte
3D_Evolution-JTPLMXML-Schnittstelle ermöglicht es, die
Daimler-Standards für den Datenaustausch
zu erreichen. Hierzu reicht es, nach dem
Einlesen der Daten in 3D_Evolution das
Zielformat anzuwählen. Durch dieses einfache Vorgehen lassen sich im Prinzip alle
Datenformate in die passende PLMXMLBaugruppenbeschreibung mit den entsprechenden JT-Daten für die Archivierung
im PDM-System umwandeln.
Ab Version 2013 SP2 unterstützt das Konvertierungstool 3D_Evolution zusätzlich
zum PLMXML-Format optional auch StepAP242-XML zur Beschreibung der Baugruppenstruktur. 3D_Evolution ist heute somit
bereits auf dem Stand der künftig vorgesehenen Optimierungs- und Entwicklungsarbeiten auf Basis des ISO-Standards 14306.
Angereicherte Daten ohne Lizenz lesen
Die 3D_Evolution-Nativschnittstellen können Geometrieinformationen, PMI sowie
Metadaten und Attribute
aus den binären CAD-Daten lesen, ohne dass hierfür
eine Lizenz des CAD-Systems notwendig ist.
Durch Auswahl der entsprechenden Checkboxen
ist einstellbar, was eingelesen wird. So lassen sich Meta-Daten lesen, PMI laden
und/oder optional ausge- Das JT-PLM-Daimler-XT-Zielformat beinhaltet bereits alle optimierten
Bild: Core Technologie
blendete Objekte einlesen. Einstellungen für den Datenaustausch.
In der nachfolgenden Abbildung werden die Ladeeinstellungen für die (externe Referenz) ins gewählte Speichermöglichen CAD-Systemformate dargestellt. verzeichnis geschrieben. Die Struktur sieht
wie folgt aus:
• Baugruppe.plmxml
Konvertierung nach JT-PLMXML
3D_Evolution bietet für die Übersetzung • Baugruppe (Ordner)
in das Zielformat JT viele spezifische Ein- o Teil1.jt
stellungen. Die für Daimler-konforme o Teil2.jt
Konvertierung notwendigen Optionen o Teil…
werden durch einfache Auswahl des ZielZusätzlich zur Grafikoberfläche verfügt
Formats „JT-PLMXML-Daimler-XT“ automa- 3D_Evolution über einen Kommandozeitisch angepasst:
len- beziehungsweise Batchmodus mit einer systemeigenen Skriptsprache zur Auto1. JT-Version: 9.5
matisierung und Prozessintegration.
2. Exakte Geometrie: XT-Format
Werden alle oben genannten Einstel3. JT-Tesselation
lungen berücksichtigt, sind generell alle
4. Metadaten speichern
Voraussetzungen für die erfolgreiche Kon5. Anzahl der LOD: 3
6. Aktivierung der individuellen LOD-Eigen- vertierung der Daten gemäß Daimler-Anschaften:
forderungen erfüllt. Um sicherzustellen,
a. LOD 0: Sag 0.2; Winkel 45
dass die B-Rep-Geometrien eine gute Datenqualität haben, wird zusätzlich eine
b. LOD 1: Sag 0.8; Winkel 45
Geometrieprüfung mit einem zertifizierten
c. LOD 2: Sag 1.8; Winkel 45
Für den Export von PLMXML für Teamcen- Checker empfohlen (beispielsweise gemäß
ter wird hierbei im Tabulator „Baugruppe“ VDA 4955/2). Das im System integrierte
automatisch das externe Format der Bau- Zusatzmodul „VDA Checker“, das vor dem
gruppe im Drop-Down-Menü gewählt.
Konvertierungs-Prozess eine GeometrieDamit werden die JT-Daten beziehungs- prüfung mit den gewünschten Prüfkriteriweise Bauteile mit dem gewünschten en durchführt, lässt sich sowohl interaktiv
Teamcenter-PLMXML-Baugruppenformat als auch im Batchmodus verwenden. J B I |
Digital Engineering-Marktplatz | MARKT | 063
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WIN-Verlag GmbH & Co.KG
064 | CAD & DESIGN | Virtuelle Überprüfung der Konstruktion
D I G I TA L E S I M U L AT I O N I M K O N S T R U K T I O N S P R O Z E S S
Kunden virtuell
überzeugen
Produktbezogene Entscheidungen basieren bereits seit Jahrzehnten auf Erfahrung, physikalischen Tests sowie der Entwicklung von kostspieligen Prototypen. Um auch weiterhin dem internationalen Wettbewerbsdruck standzuhalten, sind viele
Unternehmen gezwungen, ihre Produktentwicklungszeiten zu verkürzen. Der Einsatz digitaler Simulation bietet daher eine
zeit- und kosteneffektive Alternative, führt zu schnelleren Konstruktionsentscheidungen und letzten Endes zu qualitativ
besseren Produkten.
VON OLIVERA RAZMOVSKA
Werkzeuge, mit denen sich Simulationen von 3D-Modellen
durchführen und somit virtuelle
Umgebungen unter realen Bedingungen einrichten lassen, um
beispielsweise Produktkonstruktionen noch vor der Herstellung
testen zu können.
D-Cubed Komponenten
in HiCAD
Bereits seit Jahren setzt die ISD
Software und Systeme GmbH auf
die D-Cubed-Komponenten 2D
DCM und 3D DCM von Siemens
PLM Software. Beide Komponenten werden im HiCAD Constraint
Manager (im Folgenden als HCM
bezeichnet) eingesetzt, um intelligente Maße und Constraints
zur Positionierung von Punkten
und Linien in Skizzen, von Teilen
Neben zahlreichen Ergänzungen in den Branchenlösungen bietet das neue
in Baugruppen sowie MechanisRelease 2014 von HiCAD ein komplett überarbeitetes Simulationstool.
men zu bestimmen. Bauteile, die
Bild: IMS GmbH
einer HCM-Bedingung unterliegen, müssen den in HiCAD festgelegten Regeln folgen. Diese
ls Spezialist für unterschiedlichs- bau sowie die Blechbearbeitung. Auf Basis Regeln legt der Anwender manuell und inte Branchenlösungen bietet die der Kernsysteme HiCAD (CAD) und HELiOS dividuell pro Bauteil fest. Mit dem Assembly
ISD Group ihren Kunden mit der (PDM) stellt die ISD eine Gesamtlösung zur Engineering Manager (AEM) wird eine dritte
Hybrid-Technologie die Möglich- Verfügung, die mit der Version 2014 deut- D-Cubed-Komponente in die CAD-Lösung
keit, das gesamte Spektrum des Produkti- lich erweitert wurde. Neben zahlreichen HiCAD implementiert. Der AEM berechnet
onsprozesses in einem System flexibel und Ergänzungen in den Branchenlösungen dabei unter anderem die Bewegung von
branchenübergreifend abzudecken: 2D- bietet das neue Release von HiCAD ein Teilen einer Baugruppe unter Einwirkung
und 3D-Konstruktion, Direct Modelling und komplett überarbeitetes Simulationstool, äußerer Einflüsse sowie die komplexen InParametrik, PDM/PLM-Komponenten, Bran- das in die Standardlösung HiCAD solution teraktionen von Bauteilen, die miteinanchen-Expertensysteme für den Maschinen- und in alle auf HiCAD solution basieren- der in Kontakt kommen und Bewegungen
und Anlagenbau, den Stahl- und Metall- den Suiten integriert wurde. Es beinhaltet übertragen. Dabei werden unterschied-
A
Virtuelle Überprüfung der Konstruktion | CAD & DESIGN | 065
lichste Mechanismen berücksichtigt, wie
Motoren, Fließbänder, Schwerkraft sowie
Kollisionen mit anderen Teilen. So lassen
sich mögliche Fehler früh erkennen und
ohne weiteren Kostenaufwand beheben.
Das verbessert die Produktqualität, führt
schneller zum fertigen Produkt und trägt
letztlich auch zur Kostenreduktion bei.
Simulation in HiCAD
Mit dem neuen Simulationstool in HiCAD
kann der Anwender Bewegungen von Bauteilen einer Baugruppe simulieren und animieren. Dabei lassen sich auch HCM-Bedingungen verwenden, um die Bewegung
der Bauteile an bestimmte Bedingungen
Bei der Simulation mit Motoren wird zwischen drei Mechanismen unterschieden.
Der Verschiebungsmotor bewegt ein Bauteil mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in eine vorgegebene Richtung. Beim
Drehungsmotor rotiert ein Bauteil mit einer
vorgegebenen Geschwindigkeit um eine
vorgegebene Achse. Der Linienzugmotor
bewegt schließlich ein Bauteil mit einer
vorgegebenen Geschwindigkeit entlang
eines vorgegebenen Linienzuges.
Ein weiterer Mechanismus ist die
Schwerkraft. Bei dieser Simulation lassen
sich die Richtung und die Beschleunigung der Schwerkraft festlegen. Diese Einstellungen haben nur Auswirkung auf die
Bild: fotolia.com
AU F B AU U N D O P T I M I E R U N G I T - G E S T Ü T Z T E R P R O D U K T I O N S P R O Z E S S E
Über die grafische Zeitleiste lässt sich die Dauer der Simulation für jeden einzelnen Mechanismus
Bilder: ISD Group
bestimmen.
zu knüpfen. Bei dieser Technik unterscheidet man zwischen zwei Simulationsmodi:
Der Bewegungssimulation und der physikalischen Simulation.
Die Bewegungssimulation ordnet den
Bauteilen Motoren zu, um die Bewegung,
das heißt die Verschiebung oder Rotation, zu steuern. Dabei kann optional eine
Kollisionsprüfung erfolgen. Es lassen sich
aber auch Bezugsteile bestimmen. In diesem Fall wird der erzeugte Motor quasi
zu den auf das Bezugsteil wirkenden Motoren dazu addiert, durch das Bezugsteil
übernimmt das ausgewählte Teil alle auf
das Bezugsteil wirkenden Motoren. Auch
bei der physikalischen Simulation erfolgt
die Steuerung der Bewegung durch die
Definition entsprechender Motoren und
zusätzlich durch Schwerkraft und Fließbänder. Trifft aber in diesem Modus ein
bewegtes Bauteil auf ein ruhendes, so wird
anschließend auch dieses bewegt. Nicht
durch HCM-Bedingungen fixierte Bauteile fallen ins Bodenlose. Die physikalische
Simulation berücksichtigt dabei auch die
Materialien der verschiedenen Bauteile.
Über die grafische Zeitleiste lässt sich die
Dauer der Simulation für jeden einzelnen
Mechanismus bestimmen. Dadurch können beispielsweise einzelne Abläufe bereits vor dem Bau der Maschine festgelegt
und geprüft werden.
In HiCAD stehen unterschiedliche
Simulationsmechanismen zur Verfügung.
physikalische Simulation. Bei der Simulation mit einem Fließband werden Teile entlang einer Oberfläche in eine bestimmte
Richtung bewegt, bis das Teil den Kontakt
mit der Oberfläche verliert. Diese Kraft ist
besonders bei der Simulation von Montagelinien, Prozessen und Sortiermechanismen nützlich. Motor, Schwerkraft und
Fließbänder kann man auch definieren,
wenn sich die Bauteile in einem „bewegten“ Zustand befinden, das heißt, wenn
die Simulation abgespielt wird oder auf
Pause steht. Damit die neuen Objekte in
der Simulation berücksichtigt werden,
muss erst eine Neuberechnung erfolgen.
Auch die Abspiellänge der Simulation lässt
sich individuell bestimmen.
Nach erfolgreicher Beendigung der
Simulation kann man sie als Film im AVIFormat speichern und bei Bedarf auf jedem
Standard-Media-Player abspielen. Möchte
man lediglich einen Teil der Simulation als
Film speichern, kann das gewünschte Zeitintervall individuell und sekundengenau
bestimmt werden. Mit dem Service Pack 1
von HiCAD 2014 hat sich die Ausgabequalität der Filme nochmals deutlich verbessert.
So dient die Simulation nicht nur zur virtuellen Überprüfung der Konstruktion, sondern lässt sich darüber hinaus als verkaufsfördernde Maßnahme im Marketing und
Vertrieb nutzen, zum Beispiel für Produktpräsentationen beim Kunden, auf Messen
RT |
oder im Internet.
weil Qualität
entscheidend ist
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066 | VORSCHAU | Ausgabe 5/14 – erscheint am 18. Juni 2014
IM NÄCHSTEN HEFT
Bild: AR Engineering
Bild: CADFEM
Finite-ElementeSimulation
Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist ein Klassiker und mittlerweile ein in der Industrie weit
verbreitetes Verfahren, um schnell komplexe
Strukturprobleme zu lösen. Wir liefern PraxisInfos und die Theorie dazu, wie kritisches Bauteilverhalten schon in der Entwurfsphase an
virtuellen Prototypen simuliert werden kann,
um Komponenten und Systeme gezielt zu verbessern.
Bild: Geltec
Bild: Rafi
Messen, Steuern,
Regeln
Ob hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch –
wo Bewegung ist oder Prozesse laufen, muss
bedient, gesteuert und geregelt werden. Wir
befassen uns mit diesem Themenkomplex
und schauen, welche neuen Strömungen es
im Bereich der integrierten Eingabesysteme
mit integrierten Bedienelementen wie Folientastaturen, Touch Screens, Joysticks und Befehlsgeräten, im Gehäuse und kombiniert mit
Embedded-Steuerungslösungen gibt. Zudem
betrachten wir ein komplettes Regelsystem
und dessen Optimierung.
Die ingenieursmäßigen Aufgabenstellungen
beim Schiffsbau sind vielfältig: Beispielsweise
von der Wahl und dem Engineering des Antriebssystems bis zur Strömungssimulation
zwecks Optimierung von Schiffsschraube und
Rumpf. Wir greifen hier einige heiße Themen
heraus und liefern Hintergrundinfos.
Bild: Danfoss
Bild: Rittal
Schiffsbau
Weitere Themen:
Projektmanagement
CAD & Design: Datenaustausch und -konvertierung
Product Lifecycle Management: Multidisziplinäre Produktentwicklung
Hardware: 3D-Laserscanner
Konstruktionsbauteile: Schrauben, Federn, Normteile
Aus aktuellem Anlass sind Themenänderungen möglich.
IMPRESSUM
Herausgeber und Geschäftsführer:
Hans-J. Grohmann (hjg@win-verlag.de)
DIGITAL ENGINEERING MAGAZIN im Internet:
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Chefredaktion: Rainer Trummer (v.i.S.d.P.), rt@win-verlag.de,
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Redaktion: Jan Bihn (-161; jbi@win-verlag.de)
Textchef: Armin Krämer (-156; ak@win-verlag.de)
Mitarbeiter dieser Ausgabe:
Philipp Boehmert, Karen Dörflinger, Rune Friis-Knutzen, Evelyn
Gebhardt, Prof. Dr. Uli Göhner, Sven Hansel, Martin W. Hiegl, Kevin
Hofmann, Bernd Horrmeyer, Sebastian Katona, Prof. Dr. M. Koch,
Stefan Kraemer, Dr. Jochen Krebs, Holm Landrock, Olivera Razmovska,
Ellen-Christine Reiff, Eric Schnepf, Christian Schwarz, Stefan Sester,
Prashanth S. Shankara, Michael Sieber, Jan Tausend, Dr. Oliver Tennert,
Dr. Oliver Tennert, Eva Tischendorf, Jutta Treutlein, Dr. Peter Vincent,
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