MBD oder Model Based Definition ist eine Methode, um spezifische Fertigungsinformationen in dreidimensionalen Modellen darzustellen. Damit wird das 3D-Modell zur Grundlage für sämtliche Prozesse der Produktentwicklung.
MBD kann im Zusammenhang mit der 3D-Konstruktion als Digitalisierung der Fertigungsunterlagen bezeichnet werden, die bisher in Verbindung mit 2D-Modellzeichnungen händisch erstellt werden mussten. Model Based Definition enthält dabei weitaus mehr Informationen als nur die reine Geometrie. Konstruktionsparameter, Maße, Gewichte, Materialien und weitere physikalische Eigenschaften lassen sich mit MBD in Form von Metadaten in das CAD-Modell integrieren. Der eigentliche Begriff MBD geht auf das Unternehmen PTC zurück, das diese Methode bereits seit Version 2.0 der CAD-Software Creo nutzt.
Die Bedeutung von MBD in der modernen Fertigungsindustrie
Für die moderne Fertigungsindustrie hat die Einführung von MBD im CAD-Prozess immer mehr an Bedeutung gewonnen. So gut wie alle Prozesse, die der Konstruktionsphase nachgelagert sind, profitieren von der Implementierung der MBD-Konzepte. Insbesondere bei der Fertigung lassen sich Vorbereitungen und die Programmierung der Maschinen deutlich beschleunigen. Auch die Qualitätskontrolle im Anschluss an die Fertigung wird durch modellbasierte Definition schneller und zuverlässiger, da die relevanten Parameter direkt an die Messeinrichtungen übertragen werden können. Im Hinblick auf die Möglichkeiten der Industrie 4.0 ergeben sich neue Perspektiven für die Automatisierung von Planung und Fertigung über das eigene Unternehmen hinaus, da auch Zulieferer in den Informationsaustausch eingebunden sind.
Grundlagen von MBD
Model Based Definition wurde erstmals im Zusammenhang mit 3D-CAD-Systemen vorgestellt. Dabei fungiert das 3D-Modell als Grundlage einer 2D-Zeichnung, der parametrische Informationen hinzugefügt werden. Ohne diese Parameter wäre eine Fertigung nicht ohne Weiteres möglich, denn neben den räumlichen Abmessungen sind wichtige Informationen zu Material, Toleranzen, Beschreibungen und ähnlichen Faktoren erforderlich. Früher wurden diese Daten händisch in die Zeichnungen integriert oder in eine separate Software übertragen. Das war nicht nur ein extrem zeitaufwendiger, sondern auch fehlerbehafteter Prozess.
Modellbasierte Definition ist als integriertes Verfahren Bestandteil des sogenannten modellzentrischen Ansatzes, bei dem das gesamte Produkt von Beginn an digital erfasst und direkt im CAD-Modell beschrieben wird. Von Ende der 1980er bis Mitte der 1990er wurden erste Grundlagen in der Industrie geschaffen, um die modellbasierte Definition in die Fertigungsprozesse zu integrieren und die dazugehörigen technischen Standards festzulegen. Heute sind die Standards ASMA Y14,41-2019 und ISO 16792:2015 maßgeblich, die direkt auf diese Methodik zurückgehen.
Spezifiziert wurden die Vorgaben in sogenannten widerspruchsfreien Regeln. Das ISO GPS-Normensystem gibt vor, nach welchen Regeln geometrische Merkmale eines Modells zu beschreiben sind. Diese Produktbeschreibung wird bei modellbasierter Definition innerhalb des dreidimensionalen Modells hinterlegt. Es ist also keine zweidimensionale Zeichnung mehr erforderlich.
Früher wurden die parametrischen Fertigungsinformationen an der Zeichnung angebracht, die vom 3D-Modell abgeleitet wurde. Modellbasierte Definition löst dies anders, denn nun können die Informationen direkt in das Modell integriert werden. Das kann man sich so vorstellen wie die Integration von Metadaten in Foto- oder Videodateien. Auf den ersten Blick unsichtbar, können sie von der Software bei Bedarf angezeigt werden. Typische Komponenten, die von Model Based Definition bereitgestellt werden, sind:
- Form des Objekts
- Größenmaß
- Ausrichtung
- Ort
- Produktfertigungsinformationen (PMI)
Zu den PMI zählen so gut wie alle Informationen, die irgendeine Art von Relevanz für die Fertigung besitzen. Sie sind in Form von Anmerkungen am 3D-Modell verankert. Beispiele für gängige PMI sind:
- Toleranzen für Bemaßung
- Toleranzen für die Form
- Toleranzen für die Lage
- Informationen zur Oberfläche
- sonstige Texte und Anmerkungen, die relevant sind
Häufig wird aus der Beschreibung irrtümlich abgeleitet, dass modellbasierte Definition ohne Zeichnungen auskommt oder komplett papierlos ist. Das stimmt aber nur teilweise, denn obwohl die Zeichnungen nicht mehr als primäre Informationsquelle erforderlich sind, besteht bei dem Verfahren stets die Möglichkeit, Zeichnungen zu erstellen. Dies kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn besondere Anforderungen in der Lieferkette Zeichnungen erfordern. Der größte Unterschied zu herkömmlichen Verfahren ist die Erzeugung eines technischen Datenpakets (TDP), wo früher standardmäßig nur mit PDF gearbeitet wurde.
Model Based Definition ist im Vergleich zur traditionellen Erstellung von 2D-Zeichnungen deutlich effizienter. So sind die dreidimensionalen Anmerkungen innerhalb eines CAD-Modells semantisch. Das bedeutet, dass die Informationen maschinenlesbar verankert sind und von der Software direkt verarbeitet werden können. Bei der herkömmlichen Methode werden hingegen Ausdrucke oder bestenfalls PDF-Dateien angefertigt, die von der Software nicht direkt verstanden werden.
Dateien für Teile oder Fertigungsschritte lassen sich unter modellbasierter Definition hingegen direkt von der CAM-Software einlesen. Alle 3D-Anmerkungen und geometrischen Parameter stehen direkt zur Verfügung und müssen nicht separat in die Fabrikationsprozesse eingepflegt werden. Dadurch entfällt nicht nur die Notwendigkeit der Nutzung einer untergeordneten Software zur Übertragung an das CAM-System, sondern auch die Problematik einer hohen Fehlerquote durch falsch eingepflegte Daten. Natürlich kommt modellbasierte Definition auch der Effizienz in der Fertigung zugute, da der Zeitaufwand für die separate Datenerfassung entfällt.
- Alle wichtigen Informationen und Parameter für die Fertigung stehen direkt im 3D-Modell zur Verfügung.
- Parameter und Fertigungsinformationen müssen nicht mehr separat händisch bereitgestellt werden.
- Die Effizienz steigt durch direkte Datenintegration in die CAM-Fertigung
- Die Fehlerquote liegt deutlich niedriger als bei herkömmlichen 2D-Verfahren.
PTC verweist im Zusammenhang mit Model Based Definition auf eine Studie des National Institute of Standard and Technology (NIST). Demnach ist modellbasierte Definition dazu in der Lage, den gesamten Prozess vom ersten Entwurf über die Fertigung bis hin zur Qualitätsprüfung um fast 80 Prozent zu verkürzen.
Softwarelösungen für MBD
Ähnlich wie im Bereich der CAD-Software gibt es auch für Model Based Definition immer mehr Softwarelösungen. Während sich Creo Parametric von PTC als Vorreiter und Marktführer unter den modellbasierten Softwarelösungen etabliert hat, gibt es weitere Anbieter, die die Zeichen der Zeit erkannt haben und das Verfahren in ihre CAD-Software implementieren.
Model Based Definition wird in Creo Parametric von PTC zur Dokumentation von Informationen zur Herstellung und Prüfung von Teilen und Produkten in 3D-CAD-Modellen schon seit längerer Zeit angeboten. Die Software bietet alle gängigen Verfahren zur Implementierung von Model Based Definition in den Fertigungsprozess. Aufgrund der großen Verbreitung und der Ausarbeitung von Branchenstandards gilt PTC Creo als die führende Lösung in vielen Industriebereichen. Die Implementierung von MBD geht bereits auf die Version 2.0 zurück und wird seitdem konsequent weiterentwickelt.
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Creo Parametric und MBD im Detail
Neben dem Ausspielen der technischen Datenpakete im CAD-neutralen STEP-AP242-Format steht auch das native Creo Parametric Format zur Verfügung, das sich in vielen Branchen als Standard etabliert hat. Das TDP kann dabei nicht nur die einfachen Modelldaten enthalten, sondern auch weitere Informationen wie:
- Stücklisten
- Anforderungen, Spezifikationen
- elektronische Schaltbilder und Kabelführung
- Dokumentation für Software
- Unterlagen zur Qualitätssicherung (z. B. Bemusterungsblätter)
Somit wird das TDP in Creo Parametric zur allgemein gültigen Datenquelle für die technische Definition von Produkten. Darüber hinaus verbessert der Hersteller die Funktionalität kontinuierlich und rollt diese regelmäßig im Rahmen von Updates aus. So lassen sich inzwischen auch manuell erstellte Creo- oder Excel-Tabellen zur Nutzung der MBD-Funktionalität importieren. Zur Beschleunigung von Entwürfen wurde außerdem das Feature „allgemeine Profiltoleranzen (GPT)“ eingeführt. Damit lassen sich gemeinsame Toleranzen für alle Flächen festlegen, für die keine eigenen geometrischen Eigenschaften definiert wurden. Sämtliche semantischen Referenzen werden automatisch erfasst, so dass der Nutzer sich auf andere Spezifikationen konzentrieren kann.
Die Nutzung von Creo Parametric in Verbindung mit Model Based Definition birgt neben den allgemeinen Vorteilen im Produktentwicklungs- und Fertigungsprozess weitere Anwendungsmöglichkeiten. So sind die Arbeitsabläufe für die Platzierung und Bearbeitung von Oberflächeneigenschaften und Symbolen im Vergleich zu früheren Lösungen deutlich optimiert worden. Bei Nutzung des innovativen GD&T Advisors von PTC steht zusätzlich die Baugruppenunterstützung zur Verfügung.
Insgesamt lässt sich der Workflow mit modellbasierter Definition dahingehend optimieren, dass die automatisch generierten Inhalte in allen nachgeschalteten Prozessen nutzbar sind. Das umfasst unter anderem die Fertigung, Lieferketten, Bestands- und Logistikmanagement im eigenen Unternehmen sowie Abläufe bei Zulieferern. So kann der Zulieferer die geforderten Eigenschaften eines Bauteils oder einer Teilkomponente jederzeit anhand der Model Based Definition im 3D-Modell abrufen. Aufgrund der Vielzahl an Spezifikationen, die sich auf unterschiedlichen Ebenen anzeigen lassen, ist es wichtig, jederzeit den Überblick zu behalten.
Bei Systemen, die noch keine modellbasierte Definition verwenden, ist dies nicht so einfach, weil alle Daten in separaten Dateien oder sogar in Papierform vorliegen und je nach Anwendungsfall priorisiert werden müssen. Der Datensatz enthält hingegen sämtliche Informationen, die sich nach Bedarf selektiv anzeigen lassen. Schließlich muss die Fertigung nicht unbedingt Informationen zum Bestandsmanagement kennen und umgekehrt. Um die volle Konformität der mit den generierten Lösungen zu gewährleisten, erfüllt Creo Parametric die gängigen Standards wie:
- ASME Y14.5
- ISO 1101
- ISO 22081
- ISO 13715
- ISO 21204
Anwendungsbeispiel für MBD mit Creo Parametric
Die Messgeräte von ZEISS sind in aller Welt für ihre Qualität und Präzision bekannt. Doch wie in allen Bereichen wird auch hier die Software, die die Messgeräte steuert, immer wichtiger. Im Zusammenhang mit dem Trendthema Model Based Definition (MBD) wurde ZEISS immer häufiger mit der Frage konfrontiert, wie im CAD-System CAD-Modelle erstellt werden müssen, um eine messtechnisch korrekte Übertragung der MBD nach ZEISS CALYPSO gewährleisten zu können. Aus diesem Grund fand in einem gemeinsamen Projekt von PTC Creo und dem ZEISS Quality Excellence Center ein Wissenstransfer statt. Ziel war es, die schon seit mehreren ZEISS CALYPSO Softwareversionen existierende Importfunktion, die Product and Manufacturing Information (PMI) aus Creo-CAD-Modellen übernimmt, so zu erweitern, dass Konstruktion und Messtechnik optimal zusammenarbeiten können.
Implementierung und Zukunft von modellbasierter Definition
Die Implementierung von Model Based Definition im Konstruktionsprozess wirft naturgemäß einige Fragen auf. So befürchten viele Unternehmen, dass es (zumindest in der Anfangsphase) zu einem Mehraufwand an Arbeit und Zeit für die Konstrukteure kommt. Tatsächlich ist der Aufwand für den Konstrukteur im Vergleich zur 2D-Erstellung aber nicht höher. Die Informationen und Parameter müssen sowohl für die 2D-Zeichnung als auch im 3D-Modell eingepflegt werden. Durch Nutzung einer intelligenten Lösung wie dem GD&T Advisor in Creo lässt sich diese Arbeit aber beschleunigen. Die Software enthält ein automatisches Normenbuch, das von vornherein überprüft, ob ein Bauteil die geforderten Spezifikationen und Normen erfüllt. Das spart spätere Kontroll- und Korrekturarbeit.
Unterschiede gibt es jedoch im Workflow, was die Implementierung von GPS-Normen betrifft. Denn im Gegensatz zu einer 2D-Zeichnung muss ein 3D-Modell als komplettes Funktionsmodell mit sämtlichen Fertigungsinformationen erstellt werden. Modellbasierte Definition unterstützt grundsätzlich die Anwendung von GPS-Normen. Unterschiede bestehen im Detail vor allem bei den Toleranzen. Waren bisher Maß-Toleranzen entscheidend, geht es unter der GPS-Normenreihe mehr um Form- und Lagetoleranzen. Aufgrund der Vorteile bei den Durchlaufzeiten und der allgemeinen Effizienz lohnt sich die Schulung für die Konstrukteure in diesem Bereich aber fast immer. Beispiele aus der Industrie zeigen, dass sich die Durchlaufzeiten zum Teil um bis zu 90 % reduzieren lassen (vgl. Beispiel Zeiss).
Schritte zur Einführung von MBD in Unternehmen
Wenn in einem Unternehmen bereits Creo Parametric oder eine vergleichbare Software genutzt wird, ist der Umstieg auf Model Based Definition im Konstruktions- und Fertigungsprozess bereits vorbereitet. Der allgemeine Trend zur Digitalisierung und der Übergang zur Industrie 4.0 erfordert entsprechende Lösungen, um wettbewerbsfähig zu bleiben.
Dennoch gelingt eine solche Transformation nicht über Nacht. Die Migration einer klassischen 2D/3D-Umgebung hin zu einer MBD-Lösung mit 3D erfordert viel Sorgfalt und Planung. So ist es beispielsweise sehr wichtig, vorhandene Legacy-Daten aus Schlüsselbereichen zu sichern und in die neue Umgebung zu überführen. Insbesondere die Auswirkungen auf die gesamte Lieferkette werden dabei zu oft ignoriert, was zu Problemen bei der Implementierung führen kann.
- Auswahl der passenden CAD- und MBD-Module
- Umstrukturierung der vorhandenen 2D/3D-Infrastruktur
- Schulung der beteiligten Mitarbeiter (z. B. Konstrukteure) auf die Implementierung von modellbasierter Definition und die jeweiligen Regelwerke
- Einbeziehung nachgestellter Bereiche (Produktion, Lieferketten)
- Migration wichtiger Legacy-Daten in die neue Umgebung
- Regelmäßige Weiterbildung im Bereich MBD und Prüfung der bisherigen Abläufe auf Konsistenz und Effizienz
- Nach erfolgreicher Implementierung von MBD im eigenen Unternehmen Einbeziehung externer Stakeholder erwägen (z. B. Zulieferer)
Als zertifizierter PTC-Partner beraten wir unsere Kunden hinsichtlich der passenden einführungsstrategien und unterstützen sie anschließend bei der Implementierung der jeweiligen MBD-Konzepte. Nehmen Sie einfach Kontakt zu uns auf und lassen Sie sich beraten.
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Zukunftstrends und Weiterentwicklungen im Bereich MBD
Die Festlegung von geometrischen Form- und Lagetoleranzen ist seit jeher eine extrem aufwendige Prozedur im Konstruktionsprozess. Mit der Komplexität geht eine relativ hohe Fehleranfälligkeit einher. Um den Herausforderungen an die erfolgreiche Umsetzung von MBD in Unternehmen gerecht zu werden, hat PTC ergänzend die GD&T Advisor Extension entwickelt. Dieser Geometric Dimensioning & Tolerancing Advisor unterstützt nicht nur bei der Anwendung von Form- und Lagetoleranzen, sondern übernimmt auch die Überprüfung auf korrekte Durchführung. So kann der Konstrukteur sicher sein, dass das erstellte Modell alle gängigen Normen erfüllt und komplett definiert ist.
Der Creo GD&T Advisor sorgt nicht nur für eine bessere Konsistenz der Modelle bei der Einhaltung von wichtigen Normen, sondern kann auch die Produktivität steigern. Mit diesem Tool sind nur noch rund 25 % der Mausklicks erforderlich, die bei manueller Erstellung anfallen. Daraus ergibt sich im Umkehrschluss eine gewaltige Zeiteinsparung von bis zu 75 %.
Ein großer Vorteil liegt in den zahlreichen Hilfestellungen, die der GD&T Advisor in Creo bei MBD geben kann. Alle wichtigen Regelsätze samt Normen sind enthalten und werden bei jedem Arbeitsschritt verständlich kommuniziert. Daher eignet sich die Extension auch hervorragend für die künftige Schulung von Mitarbeitern, die bislang noch wenig Erfahrung mit MBD basierter Konstruktion haben. Erkennt das Programm Fehler, werden diese visuell gekennzeichnet. Gleiches gilt, wenn die Geometrie des Objekts noch nicht ausreichend definiert wurde. Die Fehler werden dabei nicht nur angezeigt, sondern auch mit einer Hilfezeile kurz erklärt. Die Meldungen der Software lassen sich auch zur nachvollziehbaren Veranschaulichung von Konzepten für Form- und Lagetoleranzen nutzen.
In der Konsequenz bedeutet die Nutzung von Creo Parametric und GD&T Advisor Extension einen großen Schritt zur reibungslosen Implementierung von Model Based Definition.
Zukunftsperspektiven für Creo Parametric
Im Bereich der Produktentwicklung gilt Creo Parametric als extrem zukunftsorientiert. Bereits seit der ersten Produkteinführung hat Creo sich einen festen Platz in vielen Konstruktionsbüros erobert. Als 3D-CAD-Software bietet Creo nicht nur einen vielseitigen Funktionsumfang, sondern entwickelt sich mit jeder Version entscheidend weiter.
Der Schritt zur Einführung von MBD erfolgte bereits mit Version 2.0 und wurde seitdem stetig weiter optimiert. Die Entwicklung beweist bereits jetzt, dass die Zeiteinsparungen und die geringere Fehleranfälligkeit durch Model Based Definition die Investitionen in moderne Technologien rechtfertigt. Mit den neuen Anforderungen an die Industrie 4.0 kommen Unternehmen ohnehin nicht mehr um neue Effizienzlösungen herum. Hinzu kommen perspektivisch die Möglichkeiten der Künstlichen Intelligenz (KI). Obwohl die volle Implementierung von KI für MBD bislang noch nicht möglich ist, wird man in einigen Jahren nicht nur komplett auf digitale Produktentwicklung umgestiegen sein, sondern auch viele Routineabläufe von der KI erledigen lassen. Auch hierfür stellt Creo Parametric bereits die Weichen.
Fazit
Model Based Definition ist nicht weniger als eine Revolution für die Erstellung von 3D-Modellen in der Produktentwicklung. Durch MBD lassen sich die notwendigen parametrischen Informationen zu Geometrie, Maßen, Gewicht, Material und vieles mehr automatisch in das Modell integrieren. Die manuelle Erstellung von PDF-Dateien oder Ausdrucken in einer 2D-Zeichnung ist somit nicht mehr erforderlich, wenngleich sie für manche Anwendungsfälle weiterhin möglich ist.
Je nach verwendeter Software kann bereits bei der Erstellung mit MBD die Einhaltung von Normen und Toleranzen geprüft werden. Für die Entwickler bedeutet dies nicht nur mehr Sicherheit und weniger Fehler, sondern auch einen enormen Zuwachs an Effizienz. Der Zeitaufwand für die Erstellung reduziert sich erheblich. Da auch die händische Übertragung in andere Software oder auf Papier entfällt, bleiben die MBD basierten Daten stets aktuell für alle Nutzer, die das 3D-Modell im weiteren Arbeitsprozess nutzen oder bearbeiten.
Die Einführung von MBD im Alltag erfordert einige Vorbereitung. Insbesondere die Konstrukteure müssen sich mit den neuen Verfahrensweisen vertraut machen. Auch die Integration der Model Based Definition in eine vorhandene 2D/3D-Umgebung muss gut vorbereitet sein. Nach Abschluss der Transformation können sich Unternehmen allerdings auf ein enormes Einsparpotenzial und geringere Fehlerquoten einstellen. Die Nutzung von Creo Parametric ist hierbei von Vorteil, denn wer bereits parametrische 3D-Modelle mit CAD-Software erstellt, kann MBD schneller und reibungsloser in die eigenen Abläufe integrieren.
Die Erfahrung zeigt, dass sich Creo Parametric nicht nur hervorragend für die Nutzung von MBD bei der Produktentwicklung eignet, sondern auch eine gute Ergänzung für andere Abläufe sein kann. So setzen selbst Unternehmen wie ZEISS, die eine hauseigene 3D-CAD-Lösung nutzen, auf die Expertise und Möglichkeiten von Creo Parametric, wenn es um die Implementierung von Model Based Definition geht.
MBD ist eine technische Methode, um Fertigungsinformationen direkt in 3D-CAD-Modelle zu integrieren, ohne dass 2D-Zeichnungen benötigt werden. Diese Fertigungsinformationen umfassen Maße, Toleranzen, Materialangaben und andere relevante Daten, die im Modell als Metadaten hinterlegt werden.
MBD verbessert die Effizienz und Genauigkeit im Fertigungsprozess erheblich. Informationen sind direkt im 3D-Modell verankert und maschinenlesbar, wodurch die Notwendigkeit manueller Dateneingaben entfällt und Fehler reduziert werden. Außerdem wird die Zeit für die Datenerfassung und -übertragung erheblich verkürzt, da alle relevanten Informationen direkt aus dem Modell abrufbar sind.
Die Kernkomponenten von MBD umfassen das 3D-Modell selbst, die Produktfertigungsinformationen (PMI) wie Toleranzen und Materialspezifikationen sowie technische Datenpakete, die alle notwendigen Informationen für die Fertigung und Qualitätskontrolle enthalten.
PTC Creo Parametric ist ein führender Anbieter von MBD-Lösungen, der umfassende Tools zur Integration von Fertigungsinformationen in CAD-Modelle bietet. Andere CAD-Systeme haben ebenfalls begonnen, ähnliche Funktionalitäten zu integrieren, um die Vorteile von MBD zu nutzen.
Die Einführung von MBD erfordert eine sorgfältige Planung und Umsetzung. Dies umfasst die Auswahl der richtigen Software, die Schulung der Mitarbeiter, die Anpassung der IT-Infrastruktur und die Migration bestehender Daten. Eine schrittweise Implementierung hilft, die Übergangsrisiken zu minimieren und die Akzeptanz zu erhöhen.