Einrichtung eines Rechnerlabors für Virtuelle Produktentwicklung

Die Bedeutung der Informationstechnologie (IT), insbesondere der IT-Verfahren zur Unterstützung von Aufgaben und Tätigkeiten in den ingenieurwissenschaftlichen Prozessen industrieller Betriebe, hat in den letzten Jahren massiv zugenommen. Die Auswirkungen in Bezug auf Abläufe und Methoden zeigen sich in einer Neuorientierung in fast allen Bereichen eines Maschinenbauunternehmens. Klassische Arbeitsweisen werden geändert oder ersetzt und die Prozesse der Produktentstehung-innerbetrieblich oder, als Teil einer Supply Chain, unternehmensübergreifend mit Kooperationspartnern, Kunden und Lieferanten-werden neu definiert.

CAD-Systeme haben zwar schon vor einigen Jahren das manuelle Konstruieren am Zeichenbrett vollständig ersetzt, mittlerweile sind aber selbst die ursprünglich eingeführten 2D-CAD-Systeme zu einem großen Teil durch integrierte 3D-CAD-Systeme mit einem weit über die Geometriedefinition hinausgehenden Funktionsumfang ersetzt worden. Während der erste Schritt im Wesentlichen ein Übertragen alter Arbeitsweisen auf ein neues Hilfsmittel darstellte, ist die Umstellung von der 2D-CAD-Zeichnungserstellung auf die 3D-Produktmodellierung mit einer kompletten Änderung der Arbeitsweise für den Ingenieur verbunden.

3D-Produktmodellierung eröffnet eine Vielzahl neuer Möglichkeiten: Bauteile können rechnerunterstützt analysiert (d. h. berechnet und beurteilt) und deren Verhalten simuliert werden. Untersuchungen mit Kinematik-Modulen für Kollisionsprüfungen beispielsweise im Rahmen von Ein- und Ausbauuntersuchungen sind möglich. Potenzielle Störgeometrien und andere Fehlerquellen können so frühzeitig ermittelt werden. Die mechanische Belastbarkeit von Bauteilen ebenso wie thermisches und strömungsmechanisches Verhalten kann mit Hilfe spezieller CAD-Anwendungsmodule auf Basis von Finite Elemente Methoden (FEM) nachgerechnet bzw. simuliert werden. Es können also bereits in einer frühen Entwicklungsphase Geometrien optimiert, Konstruktionen verifiziert und damit Fehler oder aufwändige Iterationen vermieden werden.

Im Rahmen der horizontalen Integration gesamter Prozessketten über die Entwicklung hinaus, wie beispielsweise im Bereich der Blechbiegeteile, lassen sich Abläufe von der Konstruktion über die automatisierte Erstellung von Abwicklungen in der Arbeitsvorbereitung bis hin zur Datenübergabe an entsprechende Fertigungsmaschinen durchgängig und ohne Medienbrüche abbilden. Damit werden Ergebnisse frühzeitig abgesichert und Durchlaufzeiten bzw. -kosten bei gleichzeitiger Qualitätssteigerung gesenkt.

Der Begriff der "Virtuellen Produktentwicklung" fasst die oben zum Ausdruck gebrachten Methoden inhaltlich zusammen. Dabei geht es im Kern um die möglichst vollständige Beschreibung eines realen Produkts mit all seinen Eigenschaften als Modell im Rechner und um das Management der erzeugten Daten sowie der Prozesse und verwendeten IT-Werkzeuge, damit eine möglichst lücken- lose Dokumentation des Produkts und seines Entstehungsprozesses gewährleistet werden kann. Neben den CAx-Anwendungen nehmen in diesem Kontext die so genannten Produktdatenmanagementsysteme (PDM) eine herausragende Stellung ein. Sie bilden die Integrationsplattform für die verschiedenen (daten-)erzeugenden Systeme, die unterschiedlichste Datenformate produzieren, bieten Funktionen für kooperative Arbeitsformen beispielsweise mit systemneutralen Viewern oder durch die Abbildung von rollenbasierten Zugriffsschutz-Mechanismen und bilden mit entsprechenden Workflow-Funktionen Prozesse wie Freigabe- oder Änderungswesen ab.

Mit der Verfügbarkeit der Methoden der Virtuellen Produktentwicklung steigen selbstverständlich auch die Anforderungen an eine zukunftsorientierte Ausbildung von Studierenden ingenieurwissenschaftlicher Fächer. Aktuelle Studien belegen, dass bereits Anfang der 1980er Jahre Unternehmen ihren Mitarbeitern durchschnittlich eine Woche Schulung für den Umstieg auf das "elektronische Zeichenbrett" 2D-CAD einräumten und dass dieser Wert bis heute ungefähr gleich geblieben ist. Das erforderliche Anwendungswissen, um die Möglichkeiten und Verfahren der Virtuellen Produktentwicklung effektiv in der betrieblichen Praxis einsetzen und nutzen zu können, ist jedoch um ein Vielfaches angestiegen.

Mit der Einrichtung des neuen Forschungsbereichs Maschinenbauinformatik und Virtuelle Produktentwicklung (MIVP) zum 01. 02. 2006 trägt die Fakultät für Maschinenwesen und Betriebswissenschaften im Bereich der Lehre diesen Punkten Rechnung. Auch in den neu eingerichteten Bakkalaureats- und Magisterstudienplänen sind entsprechende Veranstaltungen berücksichtigt worden. Die Zielsetzung ist, die klassische konstruktionswissenschaftliche Ausbildung, die das notwendige Funda- ment bildet, um das benötigte Methoden- und Anwendungswissen für die oben genannten Software-Applikationen und Spezialsysteme optimal im Sinne einer forschungsgeleiteten Lehre zu ergänzen. Obwohl am Institut für Konstruktionswissenschaften und Technische Logistik bereits seit Mitte der 1980er-Jahre erste Erfahrungen mit 3D-CAD Produkten gesammelt wurden und diese seit 1990 auch in der Lehre umgesetzt wurden, wird durch Schaffung des neuen Forschungsbereichs der Rechnerunterstützung ein neues Gewicht verliehen.

Die Basis für eine moderne Ausbildung bildet eine entsprechende Hard- und Software-Infrastruktur, auf die nachfolgend näher eingegangen wird.

Bei der Planung des Rechner-Labors war entscheidend, dass die Arbeitsplatzrechner als Workstations mit Windows als Betriebssystem eingerichtet werden sollten. Der Grund hierfür ist insbesondere die Tatsache, dass ein Großteil der Anwendungssoftware entweder nur auf der Windows-Plattform zur Verfügung steht oder zumindest Windows die primäre Entwicklungsplattform der Systemhersteller ist, was eine langfristige Update-Fähigkeit und die Verfügbarkeit aktueller Versionen sicherstellt. Folgende Gruppen von Anwendungssoftware sollen im Labor für Virtuelle Produktentwicklung zum Einsatz kommen:

Um die bekannten Nachteile Windows-basierter Client/Server-Netzwerke im Hinblick auf die Sicherheitsproblematik und den Administrationsaufwand möglichst gering zu halten, wurden verschiedene Lösungen in Betracht gezogen und evaluiert. Dabei gab es auch Gespräche mit dem ZID über dessen Erfahrungen mit vorhandenen Systemen an der TU. Der Einsatz einer wartungsarmen Server-Based Computing Plattform, wie Windows Terminal Server oder Citrix Presentation Server, kam nicht in Betracht, da dieser Ansatz nicht für rechen- und insbesondere graphikintensive Applikationen, wie sie CAx-Systeme darstellen, geeignet ist. Das unter dem Codenamen "Tarpon" angekündigte Application Streaming Produkt von Citrix, das Anwendungs-Software, analog zu der Verfahrensweise bei einem Video-Stream, vom Server lädt, ohne eine lokale Installation vornehmen zu müssen, war zum Zeitpunkt der Entscheidungsfindung noch nicht verfügbar, wird aber zukünftig sicher noch einmal separat evaluiert werden.

Am Ende der Überlegungen fiel die Entscheidung, eine so genannte Software-Streaming Plattform der Fa. Ardence (www.ardence.com) einzusetzen, mit der schon positive Erfahrungen in dem EDV-Labor der Fakultät Bauingenieurwesen gemacht wurden.

Die Idee hinter der Ardence Desktop Edition ist im Wesentlichen, die Probleme bzw. die hohen Aufwendungen, die bei der Administration von PCs entstehen, dadurch zu vermeiden, dass sowohl das Betriebssystem als auch die Anwendungen über das Netzwerk zentralisiert bereitgestellt werden, anstelle über die lokale Festplatte jedes einzelnen Rechners. Dadurch reduziert sich der Administrationsaufwand auf die Erstellung und Wartung (z. B. Neuinstallation, Patch-Management und Update von Softwareanwendungen) eines einzigen "Master"-Image, das beim Hochfahren der einzelnen Workstations vom Server geladen wird. Damit auf dem Server nur ein Arbeitsplatz-Image eingerichtet werden muss, müssen alle Arbeitsplatzrechner komplett gleich ausgestattet sein, was im vorliegenden Fall gegeben war. Es ist jedoch auch möglich, verschiedene Images für unterschiedliche Rechnergruppen, die nicht gleichartig ausgestattet sind, oder für unterschiedliche Einsatzzwecke mit entsprechenden Software-Konfigurationen, bereitzustellen. Ein weiterer Vorteil ist, dass alle Daten zwangsläufig auf dem Server und nicht lokal gespeichert werden müssen, was neben einer erhöhten Datensicherheit auch den Vorteil hat, das man nicht notwendigerweise immer am selben Arbeitsplatz arbeiten muss, um wirklich eine identische Arbeitsumgebung vorzufinden.

Versehentliche oder beabsichtigte Modifizierungen des Windows-Desktops sind nach jedem Rechnerneustart weg. Gefährdungen durch Computer-Viren oder Malware im Allgemeinen sind somit ebenfalls ausgeschaltet. Die eingebaute Festplatte kann deaktiviert werden, da sie für den Normalbetrieb nicht erforderlich ist, es sei denn, sie wird als lokaler Cache eingesetzt, um die Performance zu verbessern. Die Userdaten der Studenten werden auf den Studentenservern unter den jeweiligen Studentenaccounts gespeichert. Somit haben die Studenten alle ihre Daten zentral gespeichert und müssen sich nicht auf zusätzlichen Servern einloggen.

Die 18+1 Arbeitsplätze sind ausgestattet mit Intel-basierten Workstations der Firma HP (3,2 GHz Dual Core Prozessoren, 2GB RAM, NVIDIA FX1400 Graphikbeschleuniger) mit 20" Wide Screen TFT-Bildschirmen, Multimedia-Unterstützung. Zudem ist jeder Arbeitsplatz mit dem so genannten Space Traveller, einem spezialisierten 3D-CAD Eingabegerät der Fa. 3DConnexion (www.3dconnexion.de) für Pan, Zoom und Rotate Funktion, ausgestattet, mit dem 3D-Modelle beliebig im Raum orientiert werden können, ohne CAD-Funktionen ab- oder unterbrechen zu müssen.

Die Leistungsfähigkeit im Netzwerk wird durch eine durchgängige GBit-Verbindung zwischen Desktop-Workstations und Server gewährleistet. Die Serverseite ist entsprechend leistungsfähig ausgelegt, da Server im verwendeten Konzept ein "single point of failure" darstellen. Neben der Funktion des Ardence Servers werden für das Rechner-Labor für die PDM-Systemumgebung Datenbank- und Applikationsserver benötigt. Für die genannten Aufgaben werden Doppelprozessormaschinen der Firma HP mit bis zu 8GB RAM und Windows2003 Server als Betriebssystem eingesetzt. Eine externe Festplatteneinheit sorgt für ca. ein Terabyte Speicherkapazität der Anlage. Eine entsprechende Daten- bzw. Ausfallsicherheit wird durch getrennte RAID-Systeme, jeweils für Betriebssystem und Datenbereich, erreicht. Alle Server sind klimatisiert untergebracht und durch redundant ausgelegte Netzteile und Kühler sowie durch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung abgesichert.

Zur Benutzer-Authentifizierung über den TU-Account der Studierenden wird das Programm PGina verwendet (http://sourceforge.net/projects/pgina). PGina ersetzt die standardmäßig auf der Windows-Plattform verwendete GINA (Graphical Identification aNd Authentication) DLL durch einen entsprechenden Ersatz, mit dem über so genannte Plugins auf unterschiedliche Weise eine Authentifizierung durchgeführt kann, beispielsweise in dem UNIX-Server oder LDAP Directories angesprochen werden. Auf diese Weise können alle Studierenden mit gültigem Studentenaccount validiert werden, ohne dass eine separate Benutzerverwaltung aufgebaut werden muss. Dies ist ein entscheidender Vorteil in Bezug auf den Administrationsaufwand. Eine Überprüfung der Accounts im Hinblick auf die Teilnahme an bestimmten Veranstaltungen und damit verbundene Rechte ist derzeit über dieses System noch nicht möglich aber auch nicht notwendig, da der Zugang zum Rechner-Labor limitiert ist.

Ein Grundsatz im Bereich der Lehre ist, dass keine "Spezialisten" für eine bestimmte Anwendungssoftware ausgebildet werden sollen, sondern dass den Studierenden ein in erster Linie systemneutraler bzw. systemübergreifender Zugang zu den Applikationen vermittelt werden soll. Jedes CAx-System hat seine Stärken und Schwächen und in Bezug auf die zu verwendende Methodik ergeben sich enorme Unterschiede in Abhängigkeit der Art, wie bestimmte Systeme funktionieren. Wichtig ist, ein entsprechendes Methodenwissen zu vermitteln und hier liegt der Schwerpunkt im Rahmen der Ausbildung. Je nach Projekt, in das Studierende an den verschiedenen Instituten der Fakultät eingebunden sind, sind ohnehin bestimmte Systeme vorgegeben. Im Rechnerlabor sind verschiedene, marktführende Systeme verfügbar, teilweise durch Nutzung von Campus-Lizenzen, teilweise durch individuell mit den Systemherstellern verhandelte Abkommen. Im Bereich der integrierten 3D-CAD/CAE/CAM-Systeme sind dies insbesondere:

Der PDM-Bereich wird zunächst mit den Systemen Windchill der Fa. PTC (www.ptc.com) und CIM DATABASE von Contact Software (www.contact.de) umgesetzt. Windchill nutzt konsequent Web-Technologien und besteht aus den Hauptkomponenten PDMLink für das Management produktbezogener Daten und die Integration von CAx-Systemen und ProjectLink, das als Plattform für teamorientiertes Arbeiten dient. CIM DATABASE ist eine plattform- und CAD-unabhängige PDM-Lösung zur Verwaltung aller technischen Dokumente, Daten, Abläufe und Projekte in Unternehmen. Sie zeichnet sich ebenfalls durch eine moderne, skalierbare Systemtechnologie aus, verfügt über Standardintegrationen zu zahlreichen CAD- und ERP-Systemen und wird komplett aus Deutschland (Bremen) heraus entwickelt und vertrieben.

Mit PTC konnte im Rahmen der Einrichtung des Rechnerlabors eine Campus-Lizenz (500 User) verhandelt werden, die Anwendern an der gesamten TU zur Verfügung steht. Im Rechnerlabor wird eine entsprechende Windchill-Standardumgebung implementiert, die bei Interesse auch anderen Instituten zur Nutzung zur Verfügung gestellt werden kann. Beide Systeme liegen bzgl. der Kosten für die zur Verfügung stehenden Lizenzen normalerweise, d. h. außerhalb des Hochschulbereichs, weit im sechsstelligen Euro-Bereich.

Der Betrieb des Rechner-Labors konnte nach Entscheidung des Umsetzungskonzepts im Juni für die CAD-Ausbildung rechtzeitig zum Wintersemester 2006 in Betrieb genommen werden und läuft seitdem problemlos. Für die Implementierung der Lösung wurde auf die Erfahrungen zurückgegriffen, die bereits beim Einrichten eines EDV-Labors im Bereich Bauingenieurwesen gemacht wurden. Für die Unterstützung, auch seitens des ZID, sei an dieser Stelle herzlich gedankt. Die wesentlichen Vorteile der gewählten Software-Streaming Plattform sind einfache Softwareinstallation an den Arbeitsplatzrechnern, das Synchronhalten aller Rechner mit ihrer installierten Software und eine Konzentration auf die Serverwartung.

Die leistungsfähigen Software-Produkte, die guten Kontakte zu Systemanbietern und die Beschäftigung mit der hochaktuellen Thematik PDM ermöglichen eine moderne Ausbildung mit allen Methoden und Werkzeugen, die heute in der Industrie im Rahmen des Produktent- wicklungsprozesses eingesetzt werden. Dies bildet auch eine gute Basis für zukunftsweisende Projekt-/Diplomarbeiten und Forschungsprojekte. Da die Entwicklung heutiger "mechatronischer" Produkte immer eine Integration von mechanischer Konstruktion (M-CAD) mit elektrotechnischer Konstruktion (E-CAD) sowie der Entwicklung von Software erfordert, wäre es wünschenswert, wenn im Rahmen einer interfakultären Zusammenarbeit dieser ganzheitliche Ansatz auch verstärkt in die Lehre einfließen könnte. Möglicherweise bietet die gemeinsame Nutzungsmöglichkeit eines PDM-Systems auch hier eine Integrationsplattform als Basis für derartige Aktivitäten.

Institut für Konstruktionswissenschaften
und Technische Logistik
Forschungsbereich Maschinenbauinformatik
und Virtuelle Produktentwicklung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Detlef Gerhard
http://www.mivp.tuwien.ac.at/