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15.12.2000 - 

Fix wie nix: Mit SDRC rund um die Uhr Autos entwickeln

Ford-Konstrukteure warfen beim Mondeo den Turbo an

15.12.2000
MÜNCHEN (uo) - Rund 13 Monate hat die Ford Motor Company bei der Entwicklung des neuen Mondeo gespart. Zwischen dem ersten genehmigten Entwurf und dem Produktionsbeginn lagen nur zwei Jahre, obwohl das Automodell mit dem neuen Motor Duratec HE ausgestattet ist. Den Zeitgewinn verdanken die Konstrukteure einem weltweit einheitlichen Design-, Konstruktions- und Produktions-Werkzeug sowie dem damit verknüpften Produktdaten-Management.

"Zum ersten Mal konnten wir einen kompletten Motor am Bildschirm konstruieren", begeistert sich Rudolf Menne, Direktor Motorenentwicklung Ottomotoren der Ford Werke AG, Köln. Bisher waren lediglich Teilaspekte abbildbar. Es war auch das erste Mal für Ford, dass ein Entwicklungsteam mit je 35 Ingenieuren an drei Standorten - Köln, Hiroshima, Japan, und Dearborn, USA - 24 Stunden pro Tag an einem Motor entwickelt hat. Ermöglicht wird diese Arbeitsweise durch das "C3P"-Toolset, das die gesamte Ford-Gruppe samt Mazda, Jaguar und künftig auch Volvo einsetzt, sowie durch ein einheitliches Datenmodell. Die drei Cs stehen dabei für Computer Aided Design (CAD), Computer Aided Manufacturing (CAM) und Computer Aided Engineering (CAE), das P für Product Information Management.

Die Werkzeuge und Anwendungen basieren sämtlich auf Software der US-Firma Structural Dynamics Research Corp. (SDRC). Das Unternehmen wurde 1967 als Spinoff der University of Cincinnati, Ohio, gegründet, und ist hierzulande in Neu-Isenburg vertreten. Seine 3D-CAD/CAM/CAE-Lösung für die Mechanikkonstruktion heißt "Ideas Master Series". Das Produktdaten-Management "Metaphase" hat SDRC zunächst im Januar 1997 im Joint Venture mit Control Data entwickelt und schließlich ganz übernommen.

Die Ford-Werke führten Ideas in der Version 2.1 bereits 1995 ein. Doch hatten sie bis zur Mondeo-Entwicklung beispielsweise noch fünf andere CAD-Systeme im Einsatz. Die heterogenen Konstruktions-Tools erforderten einen Datenaustausch über neutrale Interfaces wie Iges und Step. Das sei nur mit "horrendem Aufwand" bewerkstelligt worden, "der in keinem Verhältnis zum Ergebnis stand", blickt Bodo Schure, CAD-Spezialist bei Ford in Köln, zurück. Außerdem gingen Informationen verloren.

Heute nutzen die Ford-Ingenieure die Version 8.0 ihres mittlerweile hochintegrierten C3P-Sets. Mehr als 7000 Arbeitsplätze in 1300 Betrieben sind weltweit bei Ford und seinen Partnern mit den Werkzeugen sowie darauf basierenden Anwendungen ausgestattet.

In den Kölner Ford-Werken sind permanent drei SDRC-Mitarbeiter beschäftigt. Weltweit hat der Anbieter rund 300 Spezialisten für die C3P-Anwendungen bei dem Autohersteller im Einsatz.

Die Arbeit an einem neuen Auto beginnt etwa ein halbes Jahr vor dem Design mit einem Lastenheft. Das war in früheren Zeiten ein dickes Buch, heute liegt es in digitaler Form vor. Das hat den Vorteil, dass die Vorgaben etwa für den Mondeo-Motor leicht für alle Beteiligten abrufbar sind: Produktionskosten, Nennleistung, Drehmoment und Drehzahl, Gewicht, Abmessungen, Lebensdauer, Wartungsintervalle, Grenzwerte für die Emissionen von Kohlenmonoxid, Stickoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen, Beschleunigung an den Motorlagern sowie auch ein angenehmes, harmonisches Mündungsgeräusch.

"Das subjektiv empfundene Ansauggeräusch sollte hinsichtlich des in der Psychoakustik definierten Kriteriums Rauigkeit optimiert werden", heißt es im Pflichtenheft. Damit mussten im gesamten Drehzahlbereich des Motors die halben und ungeraden Motorordnungen im Frequenzspektrum des Ansauggeräuschs gegenüber den geraden Ordnungen gesenkt werden.

Das Motorgeräusch wird heute am Computerarbeitsplatz "komponiert", wie Chefentwickler Menne sich ausdrückt. Das ist möglich, indem die Bildschirmdarstellung von Motorteilen mit ihrer tatsächlichen Funktion übereinstimmt. Die Motorteile lassen sich somit bereits am Monitor zu einem virtuellen Bauteil zusammenfügen. So entsteht zum Beispiel der Zylinderkopf aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten und ist selbst als Subsystem in den Gesamtmotor integrierbar.

Voraussetzung dafür ist das parametrisierbare 3D-CAD-System vom Ford-eigenen Set C3P. Damit ist die Grundlage des Motordesigns nicht mehr nur die zweidimensionale Zeichnung, die auch bei Ford bis zur Durotec-HE-Entwicklung Basis einer Freigabe war, sondern auch ein dreidimensionales Modell. Volumenmodelle gab es zuvor lediglich für wenige, in der Simulation zu überprüfende Bauteile, zum Beispiel für den Brennraum sowie die Ein- und Auslasskanäle. "Die grafische Umsetzung kompletter Zusammenhänge beschreibt ein Phänomen immer besser und verständlicher als ein Zahlenwerk", urteilt CAD-Kenner Schure.

Den Modellen sind neben Materialeigenschaften auch mit Hilfe mathematischer Systeme Verhaltensweisen zugeschrieben. Über die Parameter können die Modelle modifiziert und die Auswirkungen der Änderungen überprüft werden. "Auf diese Weise lassen sich verschiedene wichtige Aspekte bei der Motorenentwicklung analytisch beschreiben", erläutert Chefentwickler Menne.

Die Parametrik führt dazu, dass die Motordesigner bereits in einem sehr frühen Entwicklungsstadium hochwertige Informationen für finite Elemente und Simulationen, aber auch für den Werkzeugbau liefern können. Die Modelle, Eigenentwicklungen von Ford, werden etwa zur Simulation von Strömungsverhalten in einem Wasserkreislauf oder bei der Abgasrückführung verwendet. "Im Endeffekt will ich dahin, dass ein Motor ausschließlich in der virtuellen Realität des Computers entwickelt und ohne Prototypen produziert werden kann", beschreibt Menne das Ziel dieser Vorgehensweise.

Die kurze Zeitspanne, die die Mondeo-Entwicklung einnahm, signalisiert, dass Ford einen großen Schritt in diese Richtung getan hat. Die höhere Produktqualität schon während der Designphase erlaubt kürzere Iterationszyklen. Testreihen lassen sich bereits während der Entwicklung planen. Simulationen sind früher möglich und liefern Ergebnisse, die den Bau von Prototypen erübrigen. Die Testresultate stehen den Entwicklern eher zur Verfügung, so dass sie früher umsetzen und erneut testen können.

Längst nicht jede Simulation benötigt ein detailliertes Modell. Einzelheiten verlängern unter Umständen die Berechnungen nur, machen sie teurer, liefern aber dennoch keine genaueren Ergebnisse. Die Konstruktion, die verschiedene Aspekte berücksichtigt, kann nun die Daten liefern, die unter diesem Blickwinkel für eine Testreihe brauchbar sind.

Darüber hinaus arbeiten die Motorenentwickler mit demselben Datenmodell, das alle Fahrzeugentwickler nutzen. So lässt sich der digitale Motor sowohl für die Planung des Motorraums verwenden als auch für die Fertigung, zum Beispiel als Arbeitsmodell für Werkzeugbauer und Zulieferer sowie von den Planern der Produktionsstätten. Für die Duratec-HE-Produktion sind bereits vier Werke errichtet worden: in Valencia, in Hiroshima, in Chihuahua, Mexiko, und in Dearborn, Michigan.

Doch die Motorenentwicklung am Bildschirm stößt noch an Grenzen. Dafür führen Schure und Menne zwei Gründe an. Zum einen stimmen die mathematischen Systeme, die die grafische Darstellung unterlegen, noch nicht exakt mit den Geometrien überein, die die Motorendesigner erwarten. Dadurch ergeben sich für die Ingenieure unerwartete Effekte.

Zum anderen sind einige sehr komplexe physikalische und chemische Vorgänge wie die Verbrennung noch nicht berechenbar. Um beispielsweise zufriedenstellend die Direkteinspritzung bei Otto- und Dieselmotoren simulieren zu können, müssten etwa die Strahleindringlänge, die Verteilung und die Tröpfchengröße im Brennraum bekannt sein, aber auch die Anzahl der unverbrauchten Kohlenwasserstoffe und die Rußpartikel. "Doch ist von 1000 realen Verbrennungszyklen jeder anders", so Menne.

Dagegen lassen sich partielle Abläufe bereits gut beobachten, zum Beispiel die Abgasrückführung in den Ansaugkrümmer. Auf dem Bildschirm ist zu sehen, wie sich die Konzentration von Luft und Abgas verändert, die Ansauggeräusche sind zu hören.

Die Workstations und Rechner-Cluster reichen schon heute für aufwändige Simulationen nicht mehr aus. "3D-animierte Computerspiele etwa decken nur etwa ein Zehntel der Funktionalität unserer Volumenmodelle ab", erläutert Chefkonstrukteur Menne zum Vergleich. In der Regel nutzen die Kölner Konstrukteure auf drei Jahre angemietete Rechner der Serie Ultra 60" von Sun, die mit 2 GB RAM und Highend-Grafikkarten ausgestattet sind. Daneben sind ein paar SGI- und HP-Maschinen im Einsatz. Für die aufwändigen Simulationen verfügt der Standort Köln über einen Supercomputer der Marke Cray.

Dank des C3P-Tools haben nicht nur die Datenqualität und -menge in erheblichem Maße zugenommen, sondern auch die Anzahl der Iterationszyklen und der Datenverkehr. Zum einen kann heute eine Motorkomponente im Kontext zum gesamten Motor und darüber hinaus zur gesamten Peripherie entwickelt werden, etwa vom Motorraum nach außen. Mit dem Aufbrechen der Schlüsselloch-Perspektive, bei der die Entwickler nur ihre Komponente im Blick hatten, steigt die Anzahl der Datenabfragen.

Zugleich verführe die frühe Verfügbarkeit fundierter Informationen und die Integration der Applikationen aber auch dazu, den Rhythmus von Entwickeln, Simulieren, Auswerten und Verbessern zu beschleunigen, was letztlich Mehrarbeit bedeutet, so Schure: "Da ist mit Sicherheit noch Handlungsbedarf, damit nicht mehr getan wird als unbedingt nötig."

Darüber hinaus wuchs auch die Größe der übers Netz transferierten Datenpakete. "Bei der Duratec-HE-Entwicklung mussten wir auch mal mehr als 500 KB verschicken", erzählt der CAD-Experte. Um den Datenaustausch gewährleisten zu können, hat Ford die Bandbreite seines Intranet auf 100 Mbit/s (Fast Ethernet) bis zur Workstation erhöht. Probleme gibt es aufgrund zu geringer Bandbreite noch beim Datenaustausch mit Zulieferern.

Das Intranet bietet die Grundlage für das globale Produkt-Daten-Management (PDM), das als Infrastruktur für die internationale Zusammenarbeit der Entwicklungsteams notwendig ist. Die Technik erlaubt den Konstrukteuren sowohl Application-Sharing und Videoconferencing als auch die Entwicklung rund um die Uhr. Mit Hilfe des SDRCTools wurden etwa die Teams, Zuständigkeiten und Zugriffsrechte, Workflows und Meilensteine definiert.

Von der Geometrie zur parametrischen BetrachtungGrundlage des PDM-Systems ist ein Datenbank-Management-System von Oracle. Darüber hinaus erlaubt die Software eine ausgefeilte Versionskontrolle. So gibt es kein automatisches Update; wenn der Kollege aus Japan seine Arbeit am Zylinderkopf beendet, können sich die Entwickler in Deutschland und den USA die Veränderungsvorschläge ansehen und mit allen Beteiligten diskutieren. Die Kölner und ihre Mitstreiter aus Dearborn müssen aber nicht zwangsläufig den neuen Entwicklungsstand aufgreifen.

Die PDM-Funktionen korrespondieren mit der Verwaltung im Ideas-Bestandteil "Team Data Manager", einem lokalen Workgroup-Management, das die Entwicklungsobjekte in Projekte und Libraries gliedert. Das ermöglicht die parametergesteuerte Konstruktion, da die Entwicklungsschritte, die Veränderung der Variablen, protokolliert werden. Somit können die Ingenieure auf frühere Entwicklungen und Grundfunktionen zurückgreifen und immer wieder neu darauf aufsetzen.

Die Schulung im Umgang mit C3P beansprucht etwa drei Wochen. Voraussetzung für einen Motordesigner ist laut Schure die Bereitschaft, sich von der geometrischen Betrachtungsweise auf die Parametrik des Tools umzustellen. Ungewohnt dürften der Zeitaufwand und die Überlegung sein, ein Werkstück von den Grundfunktionen bis zu komplexen Abhängigkeiten strukturiert aufzubauen. Doch brauche kein Konstrukteur zum Computerexperten zu mutieren.

AngeklicktFür den Ford-Mondeo haben die Konstrukteure den neuen Motor "Duratec-HE" komplett am Bildschirm entwickelt.

Das war möglich, weil die Ford-Gruppe weltweit ein und dieselben Design- und KonstruktionsTools sowie ein einheitliches Datenmodell und -Management-Werkzeug benutzt.

Die analytischen Modelle sind so weit gediehen, dass die physikalischen und chemischen Funktionen eines Bauteils auf dem Bildschirm dargestellt und Komponenten zusammengesetzt werden können.

Die hochwertigen Daten aus dem Design erleichtern Funktionstests in der Simulation. Dadurch entfällt zum Teil der Bau von Prototypen.

Der vermehrte Datenverkehr erfordert eine höhere Bandbreite. Deshalb bereitet der Datenaustausch mit Zulieferern noch Probleme.