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August 27, 2021

3D-Fertigungssimulationssoftware: Der ultimative Leitfaden (mit Videos)

Dies ist Ihr vollständiger Leitfaden für die 3D-Fertigungssimulation.

Das Testen von Ideen in der echten Welt ist mit Risiken verbunden. Denken Sie nur an die Arbeiter im Kernkraftwerk Tschernobyl. Hätten sie die Möglichkeit gehabt, die Funktionsweise des Atomkraftwerks zu simulieren, hätte die Katastrophe im Jahr 1986 vielleicht verhindert werden können.

In diesem Artikel möchten wir einen umfassenden Überblick über die 3D-Fertigungssimulation geben.

Dieser Leitfaden hat zwei Ziele:

  • 3D-Simulation vorzustellen, falls Sie mit ihren Fähig- und Möglichkeiten nicht vertraut sind
  • aufzeigen, wie 3D-Fertigungssimulation Ihrem Unternehmen nutzen kann

Inhalt:

Sie können zu dem Abschnitt springen, der Sie am meisten interessiert

Los geht‘s!

Beginnen wir mit ein paar Fakten zur Geschichte.

Ein kurzer Überblick über die Geschichte der 3D-Simulation

Simulatoren wurden bereits mindestens seit dem 18. Jahrhundert gebaut. Simulationen wurden damals hauptsächlich in der medizinischen Ausbildung eingesetzt. In den 1960er Jahren gab es die ersten Versuche mit computergestützen Modellen, jedoch ließen die Ergebnisse aufgrund des erforderlichen Rechenaufwands zu wünschen übrig.

In den 1990er Jahren rückte die Fertigungssimulation in den Fokus. Die ersten Produkte lieferten zweidimensionale Animationen, mit zunehmender Rechenleistung entwickelte sich die 3D-Simulation jedoch zu einem praktischen Hilfsmittel. 

Techniker stellten schnell fest, dass sie sie zum Modellieren des Betriebs einzelner Maschinen, Zellen und Linien und sogar ganzer Fabriken nutzen konnten. Mithilfe von Simulation konnten Probleme untersucht, die Installation neuer Vorrichtungen geplant und Möglichkeiten zur Produktionssteigerung analysiert werden. Sie entdeckten 3D-Fertigungssimulationssoftware als Instrument, um ihr Verständnis zu verbessern, Ideen zu vermitteln und Risiken zu reduzieren.

Definition der 3D-Simulation

Laut The Free Dictionary hat 3D-Simulation folgende Bedeutung:




Anders gesagt, ist eine Simulation ein Modell bzw. eine Darstellung, die eine reale Situation bzw. ein tatsächliches Ereignis nachahmt.

Excel im Vergleich zur Simulation

Vielleicht denken Sie: „Warum sollte man auf Simulation setzen, wenn eine Tabellenkalkulation reicht?“

Tabellenkalkulationen dienen der Simulation von Dingen, die sich in Zahlen ausdrücken lassen, z. B.:

  • erwartete zukünftige Geschäftsergebnisse
  • Wartezeiten
  • Bakterienwachstumsraten

Um nur einige zu nennen.

Bei der Verwendung von Excel für Simulationsprojekte gibt es jedoch gewisse Einschränkungen.

Vorteile von 3D-Simulation gegenüber einer Tabellenkalkulation:

  • Dynamisches Verhalten. 3D-Simulation liefert nützliche Bilder und Animationen, um das Modell besser zu verstehen. In modernen Simulationsprodukten werden Bilder als Abbildungen des Geräts oder der modellierten Situation dargestellt. Sie lassen sich so ausrichten, dass Betrachter genau das sehen, was sie interessiert. Eine Tabellenkalkulation wiederum kann darstellen, wie eine Ausgabe aufgrund von Änderungen bei der Eingabe variiert. Sie bietet jedoch keinen Einblick in komplexe dynamische Ereignisse. Es handelt sich im Wesentlichen um eine „Black Box“, wobei Einzelheiten zur Ursache eines Ereignisses verborgen bleiben.
  • Realistische Veränderlichkeit. Im Gegensatz zu Excel kann ein 3D-Simulationsmodell die Zufälligkeiten, die in der Praxis auftreten können, darstellen.
  • Visuelle Darstellung. Mehr oder weniger selbsterklärend. 3D-Simulation kann eine überaus anschauliche und animierte Darstellung Ihrer Daten erzeugen. Tabellenkalkulationen sind dazu nicht in der Lage.

Arten der 3D-Simulation

Bevor wir in die Welt der Fertigungssimulation eintauchen, gilt es unbedingt zu beachten, dass 3D-Simulation verschiedene Formen haben kann. Im Folgenden sehen Sie die gängigsten Arten:

Lassen Sie uns diese näher betrachten.

Entwurfssimulation

Hier sehen Entwickler, wie ein Mechanismus oder eine Vorrichtung funktionieren werden. Mithilfe von 3D-Modellierungssoftware werden die Auswirkungen unterschiedlicher Lasten oder Temperaturen auf Strukturen dargestellt. In der additiven Fertigung zeigt Simulation den Benutzern, wie ein Modell druckt. So können Änderungen am Layout vorgenommen werden, ohne Maschinenzeit, Pulver oder Polymere zu verschwenden.

Robotersimulation

Die Simulation der Funktionsweise eines Roboters in einer Fertigungszelle vor dem Kauf und der Installation entwickelt sich in der Fertigung zur Standardprozessur. Bei dieser Anwendung sind 3D-Grafiken besonders hilfreich. Anhand der 3D-Robotersimulationssoftware sieht der Programmierer die Position des Endeffektors aus verschiedenen Positionen, wodurch die Gefahr von Kollisionen verringert und eine hinreichende Reichweite des Roboters sichergestellt werden kann.

Robotersimulation von AGCO Power

Spielsimulatoren

3D-Simulationen – angefangen bei Flugsimulatoren bis hin zu Militäraktionen – sind bei Spielern äußerst beliebt.

Bildquelle

Simulation für Architektenentwürfe

Dank 3D-Modellierung können Architekten ihren Kunden zeigen, wie ihr Haus aussehen und sich unter den verschiedensten Bedingungen verhalten wird. Ferner können sie Reaktionen auf Veränderungen der Umwelt modellieren und zeigen, wie ein Gebäude in die Umgebung passt.

Bildquelle

Simulation für 3D-Druck

Simulation zeigt, wie eine Form gedruckt aussieht. Dadurch können Gestalter oder Techniker den Bedarf an Stützstrukturen bewerten und verschiedene Ausrichtungen prüfen. So werden Zeit und Kosten für einen „Druckauftrag“ gespart, der zum Scheitern verurteilt ist. 

Quelle

Warteschlangen

Warteschlangenbildung war eine der ersten Simulationsanwendungen und ist bis heute weitverbreitet. Das Gesundheitswesen ist ein gängiger Anwendungsbereich. Hier dient die Simulation zur Analyse von Möglichkeiten zur Optimierung des Personalbestands, der Priorisierung von Prozessen und der Ablauforganisation. Zwar war dies auch mit früheren 2D-Simulationsprodukten möglich, die 3D-Simulation veranschaulicht das Geschehen jedoch auf eine Art und Weise, dass auch Personen, die nicht mit der Funktion von Simulationen vertraut sind, sie einfach verstehen.

Fertigungssimulation

Eine Fertigungssimulation kann ein „digitaler Zwilling“ eines echten Verfahrens sein und ermöglicht die Beurteilung verschiedener Produktionspläne und die Folgen von Änderungen bezüglich Produktmix und -volumen. Darüber hinaus unterstützt sie die Layoutplanung, die Optimierung von Engpässen und Bemühungen um kontinuierliche Verbesserung.

In den 1980er und 1990er Jahren entwickelte Fertigungssimulationsprodukte waren meist zweidimensional. Diese konnten die Ankunft von Waren an Maschinen und das Verlassen zeigen, ließen aber zu wünschen übrig, wenn es um die Darstellung der Arbeitsabläufe in einer echten Fabrik ging. Demzufolge hatten sie bei der Planung von Fabriklayouts oder der Erarbeitung und Präsentation von Optimierungsvorschlägen nur begrenzten Wert.

Genau hier kommt 3D-Fertigungssimulation ssoftware ins Spiel.

Die Entwicklung und Nutzung einer Simulation einer Fertigungstätigkeit ist kompliziert. Das ist unvermeidlich: Sollen die Ergebnisse wertvoll sein, ist ein hohes Maß an Granularität und Komplexität erforderlich.

Um dies zu verdeutlichen, werden wir diese Einführung in 3D-Simulation in drei Teile gliedern: 

  • Wie funktioniert Fertigungssimulation 
  • Modellentwicklung 
  • Ausführen der Simulation

Wie funktioniert Fertigungssimulation 

Simulationsprodukte haben verschiedene Varianten. Die geeignete Lösung ist von der Anwendung und den gestellten Fragen abhängig. Es gibt unterschiedliche Techniken. Fertigungsabläufe werden häufig mittels ereignisorientierter Simulation (Discrete Event Simulation, DES) simuliert. In der ereignisorientierten Simulation wird ein Prozess als Serie von Ereignissen beschrieben, die in einer Reihenfolge auftreten. Jedes Ereignis wird danach definiert, was es wann tut und welche Auswirkungen das auf die anderen Ereignisse hat. DES ist auf alle Fertigungsarten anwendbar, angefangen bei der Einzelstückfertigung bis hin zu gemischten und kontinuierlichen Produktionsprozessen.

Ein Ereignis ist ein vorprogrammierter Zeitpunkt, an dem etwas passiert. Es ist als unmittelbare Zustandsänderung definiertund ist nicht mit einer Dauer verbunden. Ein Ereignis kann andere Ereignisse auslösen oder sich bei deren Auftreten ändern. Ein Modell besteht aus einer Abfolge von Ereignissen, die den Ablauf bzw. die Bearbeitungsreihenfolge definieren.

In dem Modell fließen Entitäten durch den Prozess, auf die Ereignisse einwirken. In einer ereignisorientierten Simulation in der Fertigung könnte es sich bei diesen Entitäten um zu bearbeitende Chargen handeln. Jede Charge bzw. Entität kann eine andere Größe haben und unterschiedliche Verarbeitungsschritte oder Ereignisse erfordern. Anstatt die zur Bearbeitung der einzelnen Komponenten einer Charge erforderliche Zeit zu modellieren, ändert das Ereignis sofort den Zustand der Entität. Der Zustand könnte sich beispielsweise von „nicht bearbeitet“ in „bearbeitet“ ändern. Jedoch wird aufgezeichnet, wie lange es dauern würde, die Charge durch den Prozess laufen zu lassen, sodass nach Abschluss der Bearbeitung ein Ereignis erzeugt wird.

Modellentwicklung

Die Fertigungssimulation beginnt mit der Erstellung eines Modells des Ablaufs, der Linie, der Zelle oder der Produktionsstätte. Dieses Modell muss die Realität so genau wie möglich widerspiegeln: Jeder Fehler verringert die Genauigkeit und den Wert der Ergebnisse.

Fallstudie Midea

Beim Erstellen von Modellen müssen Darstellungen der bestehenden bzw. geplanten Vorrichtungen in ein Layout auf dem Computerbildschirm eingefügt werden. Simulationssoftware wie Visual Components bietet vorkonfigurierte Maschinen- und Robotereinheiten, die sich per Drag & Drop in das Modell kopieren lassen.

Falls keine Standardeinheiten verfügbar sind, können 3D-CAD-Modelle importiert werden. Um eine getreue Nachbildung des Gebäudes und der vorhandenen Infrastruktur zu gewährleisten, führen viele Benutzer einen 3D-Scan des Raums durch und binden die erzeugte Punktwolke in das Modell ein.

Steht das physische Modell, werden die Verhaltensweisen (Bearbeitungszeiten, Fördergeschwindigkeiten usw.) hinzugefügt. (Viele sind mit den Einheiten selbst vordefiniert.) Dank der visuellen Prozessmodellierungsfunktionen in der Visual Components-Software können Benutzer Prozessabläufe ohne komplexe Programmierung verwalten. Offene Programmarchitekturen und einfache Benutzeroberflächen ermöglichen eine einfachere individuelle Anpassung in Situationen, in denen spezielle Anwendungsfälle simuliert werden müssen.

Ausführen der Simulation

Ein entscheidender Schritt beim Einsatz von 3D-Modellierungssoftware ist die Validierung nach dem Erstellen des Modells. Nur so kann überprüft werden, ob das Modell die tatsächlichen Bedingungen genau widerspiegelt.

Das Gleiche gilt für die Fertigungssimulation: Vor einer Verwendung müssen die die Genauigkeit des Modells überprüft und mögliche Fehler behoben werden. Bei der Simulation eines bestehenden Ablaufs ist das recht einfach: Geben Sie einen aktuellen Produktionsplan oder konkrete Maschineneigenschaften ein oder laden Sie diese, um zu sehen, wie genau die Simulationsergebnisse übereinstimmen.

Schwieriger wird es, wenn Sie ein Modell eines Layouts oder Ablaufs validieren, das bzw. der noch nicht existiert. Dies könnte nötig sein, um den Materialfluss in einem noch nicht gebauten Lager oder einer Verpackungshalle zu beurteilen. Unter solchen Bedingungen ist es überaus wichtig, Annahmen zu testen und möglichst viele Daten zusammenzutragen, um die Genauigkeit sicherzustellen. Auch wenn das Modell in solchen Fällen nicht mit realen Daten verifiziert werden kann, ist ein Vergleich der verschiedenen Szenarien oder Ansätze möglich, um die „aller Wahrscheinlichkeit nach beste Lösung“ zu finden.

Erst wenn Sie wirklich Vertrauen in das Modell haben, macht es Sinn, es zur Beurteilung alternativer Szenarien, zum Vergleich verschiedener Layouts oder zur Durchführung weiterer erforderlicher Studien zu verwenden. Die Ergebnisse eines Simulationslaufs werden als Statistiken präsentiert, die in unterschiedlichen Arten von Diagrammen angezeigt werden können.

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Mehr dazu: 3D-Produktionssimulation: Ein umfassender Überblick

Jeder kann von Fertigungssimulation anders profitieren. Das kommt immer auf Ihren Anwendungsfall an.

Manche Hersteller nutzen Simulation oder „digitale Zwillinge“ für die Fertigungsplanung. Wieder andere setzen sie zur Beurteilung neuer Layouts oder neuer Vorrichtungen ein und um anderen zu zeigen, wie bestimmte Vorschläge in der Praxis funktionieren.

Im Folgenden sehen Sie die gängigsten Vorteile von 3D-Fertigungssimulation

Das sind die fünf größsten/wichtigsten Vorteile von 3D-Simulation:

1. Optimieren Sie die Reaktionszeiten

Arbeiten Sie als Systemintegrator? Dann wissen Sie, dass Geschwindigkeit ein wesentlicher Aspekt ist, wenn Sie sich um die Genehmigung eines Angebots bemühen. In Wettbewerbssituationen werden so Maßstäbe gesetzt, Erwartungen gesteuert und mehr Zeit zum Überdenken des vorgeschlagenen Konzepts gewährt. 3D-Simulation ermöglicht umfangreicheres Experimentieren in weniger Zeit, was wiederum eine umfassend optimierte Lösung ergibt.

2. Reduzieren Sie Fehler

Fertigungsabläufe sind meist überaus komplex, vor allem, wenn es Änderungen im Produktmix und -volumen zu bedenken gibt. Durch den Einsatz von 3D-Fertigungssimulationssoftware kommen Probleme zutage, die andernfalls möglicherweise übersehen worden wären, sodass Fehler und verpasste Gelegenheiten reduziert werden.

Vor allem ein Aspekt sticht hervor: die Simulation von Roboterabläufen. Hier hilft 3D-Robotersimulationssoftware (die in Produkten wie von Visual Components enthalten ist) bei der Überprüfung der Fähigkeiten im Hinblick auf die Reichweite und Durchlaufzeit. Gleichzeitig bietet sie Schutz gegen Kollisionsgefahren.

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3. Optimieren Sie die Kommunikation

Entscheidungsträger verfügen nicht immer über fundierte Kenntnisse im technischen oder Fertigungsbereich. Dank der 3D-Grafiken und Animationen von Simulationssoftware können sie die präsentierten Vorschläge leicht einsehen und verstehen.

4. Beweisen Sie, dass Sie besser als Ihre Mitbewerber sind

Für Maschinenbauer, Integratoren und Berater, die Layouts für Fabriken empfehlen, ist es von wesentlicher Bedeutung, ausgefeilte Angebote schnell und klar zu präsentieren. 3D-Simulation ist nicht nur elegant und spart Zeit, sie bietet auch klare Vorteile, die Sie von der Konkurrenz abhebt.

Viele Hersteller erkunden Möglichkeiten für ihren Sprung in das Zeitalter der Industrie 4.0, tun sich jedoch schwer zu bestimmen, welchen Weg sie einschlagen sollten. Simulation hilft, Verbesserungsmöglichkeiten aufzutun, die Ihnen andernfalls vielleicht entgehen, und unterstützt Ihre Bestrebungen im Hinblick auf die industrielle Transformation.

Möchten Sie mehr über die Vorteile der Fertigung für die industrielle Transformation erfahren? Sehen Sie sich diesen Video-Podcast mit unseren Experten an.

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5. Überzeugen Sie schneller

Simulation ist ein Instrument, mit dem sich Probleme verstehen, Experimente zu Lösungsoptionen durchführen und Angebote präsentieren lassen. Verantwortliche in Fertigungsbetrieben müssen die Kosten verwalten, sie wollen nicht lange recherchieren, sondern suchen Möglichkeiten, Herausforderungen unverzüglich zu lösen. Genau dabei hilft die 3D-Simulation.

Im Folgenden sehen Sie 4 Möglichkeiten, wie Sie die Geschäftsleitung mithilfe von 3D-Simulation von Ihrem Fertigungsplanungsprojekt überzeugen

Jedes leistungsstarke Tool bringt eine Lernkurve mit sich – so auch 3D-Fertigungssimulationssoftware. Aus diesem Grund hat Visual Components eine umfangreiche Bibliothek mit Schulungsmaterialien aufgebaut, die in unserer Academy verfügbar sind.

Die Academy ist so strukturiert, dass Benutzer je nach Bedarf viele oder wenige Informationen einholen können. Das Material ist eine Kombination aus Videos und Schriften. Sie entscheiden, welches Format für Sie am geeignetsten ist:

  • Kurse. Hier erhalten Sie eine Einführung in Themen wie die Verwendung von Python-Skripts in der Visual Components-API und die Grundlagen der Roboterprogrammierung.
  • Lernpfade. Unternehmen Sie die erforderlichen Schritte auf Ihrem Weg vom Anfänger zum Fortgeschrittenen, um Visual Components für die virtuelle Inbetriebnahme, Fertigungsdesign & -planung oder zur Beschleunigung der Umsatzentwicklung zu nutzen.
  • Webinare. Hier finden Sie Themenüberblicke und allgemeine Einführungen.
  • Lektionen. Sie können ganz nach Bedarf in einzelne Lektionen eintauchen.

Wirkt die schiere Menge an Informationen abschreckend? Visual Components bietet einen Startpunkt für neue Benutzer. „Getting Started“ (Erste Schritte) umfasst 11 Lektionen für jene, die das Programm zum ersten Mal benutzen. Dieser Kurs steht mit Visual Components Essentials, Professional oder Premium zur Verfügung.

Der erste Schritt ist immer der schwerste. Bei Simulation ist das nicht anders. Ein guter Einstieg ist das nachstehende Video. Darin erläutert unser Simulationsexperte Reza, wie einfach das Erstellen einer Zelle mit der Visual Components-Software ist.

1. Schritt Importieren Sie einzelne Elemente, um eine Zelle zu erstellen. Dabei fügen Sie Objekte wie Förderbänder, Maschinen und Roboter hinzu und ordnen diese an.

2. Schritt Legen Sie den Programmablauf fest.

3. Schritt Voila! Führen Sie das Modell aus.

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Fertigungssimulation hat zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, die meisten Benutzer wollen jedoch Probleme untersuchen und Verbesserungsmöglichkeiten in der Werkshalle erforschen.

Der Lernpfad „Manufacturing Design and Planning“ (Fertigungsdesign und -planung) in unserer Academy bietet dafür die richtigen Tools. Dieser Lernpfad ist perfekt, wenn Sie mehr über Fertigungssimulation für Fertigungsdesign und -planung erfahren möchten.

Der Pfad umfasst 11 Module:

  • Einführung
  • Layout-Grundlagen
  • Import von Layoutdata
  • eCatalog und Komponentenbibliotheken
  • Modellierung benutzerdefinierter Komponenten
  • Entwicklung von Produkten und Baugruppen
  • Entwicklung der Fertigungsabläufe
  • Simulation von Ressourcen
  • Prozessmodellierungsanweisungen
  • Statistiken und Systemanalyse
  • Teilen der Ergebnisse

Nach Abschluss dieses Pfades verfügen Sie über die notwendigen Kenntnisse und Fähigkeiten, um detaillierte Simulationen Ihrer Fertigungsabläufe zu erstellen und zu nutzen.

Fazit & nächste Schritte

Jeder Hersteller strebt unabhängig von der Branche nach Verbesserungen, um Kosten zu senken, die Qualität zu verbessern oder die Kapazität zu steigern – mitunter sogar, um alle drei Ziele zu erreichen! Möglich wird das u. a. durch Änderungen am Fabriklayout und an den Abläufen, andere Ansätze in der Produktionsplanung und neue Gerätschaften.

Da die Fertigung immer komplex ist, stellt das eine Herausforderung dar. Änderungen erfordern daher ein gewisses Maß an Experimenten und bringen Risiken mit sich. 3D-Fertigungssimulationssoftware ist ein leistungsstarkes Instrument, um dieses Risiko zu reduzieren und andere – möglicherweise unerwartete – Verbesserungsmöglichkeiten aufzutun.

Am besten überzeugen Sie sich davon, was Simulation kann, indem Sie sie in Aktion sehen. Kontaktieren Sie Visual Components, um eine Vorführung zu vereinbaren.

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