Mit modellbasierter Definition schneller zum vollständigen Digitalen Zwilling

Siemens Energy bietet ein breites Portfolio an Produkten, Lösungen und Dienstleistungen für die zentralisierte und verteilte Stromerzeugung, die Wasserstoff-Elektrolyse und Herstellung von e-Fuels, die Stromübertragung und -Verteilung sowie Industrieanwendungen.

Um die nachhaltige Energiewende zu ermöglichen, braucht es innovative Lösungen für die Elektrifizierung, zur Verbesserung der Netzstabilität und zur Dekarbonisierung. Die Siemens Energy AG zählt zu den weltweit führenden Energietechnikunternehmen. Ihr Angebot beinhaltet ein breites Portfolio an Produkten, Lösungen und Dienstleistungen für die zentralisierte und verteilte Stromerzeugung, die Wasserstoff-Elektrolyse und Herstellung von e-Fuels, die Stromübertragung und -Verteilung sowie Industrieanwendungen.

Siemens Energy ist ein wesentlicher Treiber der Entwicklung hin zu einer kohlenstofffreien Energieversorgung. Beispielsweise entwickelt und produziert das Unternehmen technisch führende Gasturbinen für Blockheizkraftwerke, die zunächst mit Erdgas, später mit grünem, durch Elektrolyse mittels Wind- oder Solarstrom erzeugtem Wasserstoff befeuert werden können. Das ermöglicht einen CO₂-freien, klimaneutralen Anlagenbetrieb.

Zum Portfolio von Siemens Energy gehören Gas- und Dampfturbinen, die zunächst mit Erdgas und später mit grünem, durch Elektrolyse mittels Wind- oder Solarstrom erzeugtem Wasserstoff befeuert werden können. Das ermöglicht einen CO₂-freien, klimaneutralen Anlagenbetrieb.

Falk Elsner
Modellbasierte Fertigung bei Siemens Energy

„NX Model Based Definition ermöglicht uns das Speichern, Teilen und Wiederverwenden aller aus dem Konstruktionsprozess resultierenden Aspekte.“

Eine nachhaltige Zukunft gestalten

Siemens Energy entwickelt, produziert und serviciert an zahlreichen Standorten auf mehreren Kontinenten. Gas- und Dampfturbinen sowie Kompressoren entwickelt das Unternehmen in Deutschland, Schweden und in den Vereinigten Staaten.

Die Entwickler von Siemens Energy nutzen verschiedene Softwareprodukte aus dem Xcelerator-Portfolio, dem umfassenden, integrierten Portfolio an Software und Dienstleistungen von Siemens Digital Industries Software. Zu diesen gehören NX™ für die computergestützte Konstruktion (CAD) und Produktion (CAM), Simcenter™ für die Festigkeits- und Strömungssimulation und das Teamcenter®-Portfolio für das Produktlebenszyklusmanagement (PLM).

Mittels dieser Softwareprodukte erstellt Siemens Energy den vollständigen Digitalen Zwilling von immer mehr ihrer Produkte und zieht einen digitalen roten Faden durch deren gesamtes Produktleben, von der Ideenfindung über die Produktion bis zum Betrieb. Mithilfe dieser Werkzeuge konnte Siemens Energy die Gesamtanlageneffizienz (OEE) um 31 % von 65 auf 85 % steigern, die Teilebearbeitungszeit um 25 bis 36 % reduzieren und beinahe 26 % CAx-Kostenreduktion erzielen.

Hinsichtlich der Entwicklungsprozesse verfolgt Siemens Energy für seine verschiedenen Produktlinien unterschiedliche Ansätze. Kleinere Turbinen werden kundenspezifisch entwickelt, während Hochleistungsgas- und -dampfturbinen auftragsspezifisch konfiguriert werden. Deshalb gibt es mehrere Arten des Umganges mit Entwicklungsstücklisten (EBOM). Während manche Stücklisten unzweideutig die Konstruktion abbilden, kommen Teile, Baugruppen oder vollständige Produkte in anderen Fällen in mehreren Stücklisten vor, die Varianten und Konfigurationen repräsentieren.

Mittels NX Model Based Definition nutzt Siemens Energy in die 3D-Modelle von Komponenten und Baugruppen eingebettete Produkt- und Fertigungsinformationen statt Anmerkungen in 2D-Zeichnungen.

Vollständige, durchgängige Fertigungsinformationen

Siemens Energy nutzt unter anderem auch die Additive Fertigung (AF). Dennoch entsteht die Mehrzahl der Komponenten durch Zerspanung in Werkzeugmaschinen. Neben den 3D-Modellen der Teile benötigt die Fertigung zusätzliche Geometriedaten. Zu diesen gehören Form-, Ausrichtungs-, Lage- und Rundlauftoleranzen sowie die Oberflächengüte.

In der Vergangenheit wurde diese Informationen in 2D-Zeichnungen eingearbeitet, diese den Fertigern zusätzlich zu den 3D-Modellen zur Verfügung gestellt. „Die Fertiger waren zwar mit diesem etablierten Verfahren bestens vertraut, dennoch läuft die Notwendigkeit, gleichzeitig ein 3D-Modell und eine Zeichnung zu handhaben, unseren Digitalisierungsanstrengungen zuwider“, sagt Falk Elsner, Leiter modellbasierte Fertigung bei Siemens Energy. „Wir wollen die Fertigung mit vollständigen, durchgängigen digitalen Informationen aus einer einzigen Quelle versorgen.“

Anlässlich der konstruktiven Überarbeitung eines Kompressors nutzten Konstrukteure und Fertigungstechniker bei Siemens Energy erstmals in die 3D-Modelle der Komponenten und Baugruppen eingebettete Produkt- und Fertigungsinformationen (PMI). Sie nutzten Attribute wie Maße und Toleranzen, 3D-Anmerkungen und Bemaßung, Oberflächengüte und Materialspezifikationen. Damit transportierten sie für die Fertigung benötigte, nicht-geometrische Informationen als Teil der mittels NX und Teamcenter erstellten 3D-Modelle. Ihr Ziel war, 2D-Zeichnungen vollständig zu eliminieren.

Die automatisch erzeugten PMI docken an der Geometrie des 3D-Modells an. So entsteht ein umfassendes GPS. Zur einfachen Nutzung in Fertigung, Qualitätssicherung oder anderen Folgeprozessen lässt sich das Ergebnis in den Datenformaten JT oder STEP exportieren.

Mit PMI-Bemaßung Zeichnungen ersetzen

„Bei unseren ersten Versuchen, Zeichnungen durch PMI zu ersetzen, überstieg der Aufwand den Nutzen“, erinnert sich Elsner. Dies deshalb, weil die Ingenieure mit PMI frühere Zeichnungseigenschaften direkt ersetzt hatten. „Um die Vorteile von PMI nutzbar zu machen, mussten wir unsere Produktdefinition umstellen.“

Immer noch mit dem Ziel, Zeichnungen durch mit PMI angereicherte 3D-Modelle zu ersetzen, machte Siemens Energy eine Umfrage unter Konstruktions- und Fertigungsmitarbeitern sowie externen Partnern. Diese ergab unter anderem den starken Wunsch danach, PMI innerhalb von NX CAM zu verwenden. Ihre Verwendung in Verbindung mit merkmalsbasierter Zerspanung (feature-based machining; FBM) bringt erhebliches Potenzial zur Komplexitätsreduktion, beschleunigten Codegenerierung und Qualitätsverbesserung bei NC-Programmen. Zusätzlich ermöglicht sie PLM-integrierte Freigabeverfahren für Produkte und Produktvarianten.

Damals waren diese Anforderungen noch nicht vollständig in NX implementiert. Nachdem sich Siemens Energy an Siemens Digital Industries Software wandte, wurde der Umfang der PMI-Funktionalität in NX bedeutend erweitert. Aktuelle Versionen verfügen über branchenweit führende PMI-Fähigkeiten.

Die umfassenden MBD-Fähigkeiten von NX rund um die automatische, regelbasierte PMI-Erstellung für GPS ermöglicht Unternehmen das Erstellen, Speichern und Verwalten eigener Regeln und Normen in einer Bibliothek über einen eingebauten Logik-Editor.

Abmaßgeführte Formtolerierung

Der Umstieg auf die modellbasierte Definition (MBD) zum Erzeugen eines vollständigen Digitalen Zwillings war für Siemens Energy ein wichtiger Schritt zur digitalen Transformation. Das Unternehmen versuchte, in der Produktdefinition großer Teile und Baugruppen von copy & paste wegzukommen. Dabei wurden Formtoleranzen und Oberflächenqualitäten oft unnötig eng spezifiziert. Als Voraussetzung dafür führte das Unternehmen die geometrische Produktspezifikation (GPS) nach ISO 14405 ein. Diese ersetzt das Hüllkurvenprinzip bei Toleranzen durch das Unabhängigkeitsprinzip.

Eine nicht mehr verwendete deutsche Norm beschrieb mathematische Korrelationen zwischen Maß- und Formtoleranzen wie Rundheit, Zylindrizität, Flachheit und Parallelität planparalleler Oberflächen. Unter Verwendung dieser Korrelation implementierte Siemens Energy eine regelbasierte, automatische Formtoleranzerstellung. Diese gewährleistet die automatische Festlegung der größtmöglichen Formtoleranz oder Richtungstoleranz für die Parallelität. Mithilfe ähnlicher Mechanismen erfolgt bei Siemens Energy automatisch die Ableitung und Festlegung von Anforderungen an die Oberflächengüte. Das sorgt ohne die Notwendigkeit von Eingriffen der Konstrukteure für die optimale Korrelation zwischen Bauteilgröße, Toleranzen und Oberflächeneigenschaften.

„Das automatische Erzeugen abmaßgeführter Formtoleranzen und Oberflächeneigenschaften führte zu konstruktiven Optimierungen, verbesserter Produzierbarkeit und einem vorteilhaften Preis-Leistungs-Verhältnis unserer Produkte“, bestätigt Elsner. „Zusätzlich liefert es wertvolle Informationen für andere Bereiche, etwa der Qualitätssicherung.“

Papierlose Produktdefinition

Mittels der umfassenden MBD-Fähigkeiten innerhalb von NX rund um die automatische, regelbasierte PMI-Erstellung für GPS eliminierte Siemens Energy Zeichnungen aus der Produktdefinition. „Das ermöglicht uns das Erstellen, Speichern und Verwalten unserer eigenen Regeln und Normen in einer Bibliothek über einen eingebauten Logik-Editor“, betont Elsner. „NX ermöglichte uns durch das Formulieren von Parametern zur automatischen Implementierung den Verzicht auf copy & paste.“

Die automatisch erzeugten PMI docken an der BREP (Boundary Representation) Geometrie des 3D-Modells an. So entsteht ein umfassendes GPS. Zur einfachen Nutzung in Fertigung, Qualitätssicherung oder anderen Folgeprozessen lässt sich das Ergebnis in den Datenformaten JT™ oder STEP exportieren. Da die Verwendung von PMI bei internen wie externen Fertigern noch nicht sehr verbreitet ist, investierte Siemens Energy zur Verbesserung der Akzeptanz in ein Lieferantentraining.

Die regebasierte PMI-Erzeugung entlastete die Konstrukteure bei Siemens Energy von unbeliebten, unproduktiven Tätigkeiten wie dem Anfügen von Anmerkungen. Wo das nicht möglich ist, verlagerte das diese Tätigkeiten von bürokratischer Zusatzarbeit in den natürlichen Arbeitsablauf.

„NX Model Based Definition ermöglicht uns das Speichern, Teilen und Wiederverwenden aller aus dem Konstruktionsprozess resultierenden Aspekte“, sagt Elsner. Zwar kann das Formulieren der GPS-Regeln für die automatisierte PMI-Erstellung ähnlich viel Zeit beanspruchen wie traditionelle Methoden, es hilft jedoch, Fehler zu vermeiden und erleichtert das Reagieren auf veränderte Vorschriften. „Durch die Verwendung der in die 3D-Modelle eingebetteten PMI im CAM-Prozess erzielten wir nahezu 26 % Einsparungen im CAx und erhöhten die OEE der Werkzeugmaschinen von 65 auf 85 %.“