1. Entwicklungsstand der Formen-CAD-Technologie im In- und Ausland: Bereits Anfang der 1960er-Jahre begannen einige ausländische Automobilhersteller mit der Forschung im Bereich Formen-CAD. Diese Forschung konzentrierte sich zunächst auf die Konstruktion von Karosserien, woraufhin Methoden zur Gestaltung komplexer, gekrümmter Oberflächen entwickelt wurden. Große Automobilhersteller etablierten sukzessive eigene CAD/CAM-Systeme und setzten diese für die Konstruktion und Fertigung von Formen ein. Die rasante Entwicklung der Computer-Software und -Hardware schuf die Voraussetzungen für die Weiterentwicklung und Anwendung von Formen-CAD/CAM. Im Bereich der geometrischen Modellierung wurden CAD-Systeme auf Basis von Drahtgittermodellen zunächst von Flugzeug- und Automobilherstellern entwickelt und eingesetzt. So förderten beispielsweise die CAD-Systeme, CADD-Systeme und AD2000-Systeme von Lockheed Aircraft, McDonnell Douglas und General Motors die Entwicklung der Formen-CAD-Technologie. Seit den 1970er-Jahren haben sich die Technologien der Flächen- und Volumenmodellierung rasant weiterentwickelt. Die neue Generation von CAD-Software kombiniert Volumen- und Flächenmodellierung und eignet sich für die Konstruktion und Fertigung komplexer Formen. Sie findet breite Anwendung in der Formenindustrie. Die Werkzeug-CAD/CAM-Komponente des CAD/CAM-Systems der Ford Motor Company ersetzt die manuelle Konstruktion und Fertigung. Im Konstruktionsbereich nutzt sie die Mensch-Computer-Interaktion für die 3D-Grafikverarbeitung, Prozessanalyse und Konstruktionsberechnungen. Sie erstellt 2D-Zeichnungen und generiert Fertigungszeichnungen, Materiallisten und Dokumente wie Prozessabläufe, Mengen und Kosten. Das System umfasst außerdem Spezialsoftware für die Konstruktion von Prozesshilfsflächen, die Analyse elastisch-plastischer Verformung, die Rückfederungskontrolle und die Entwicklung gekrümmter Bauteilformen. Einige dieser Funktionen sind bereits in der Produktion, andere befinden sich noch in der Forschung und Verbesserung. Die Toyota Motor Corporation in Japan begann 1980 mit der Entwicklung eines CAD/CAM-Systems für Karosserieformen. Dieses System beinhaltet die Die-Face-Software zur Bearbeitung von Karosserieformoberflächen und die TINCA-Software zur Bearbeitung von Stempeln und Matrizen. Die durch Messung des physischen Modells mit einer Koordinatenmessmaschine gewonnenen Daten werden an den Computer gesendet, verarbeitet und anschließend für die Konstruktion von Karosserieteilen, Werkzeugen und die Fertigung verwendet. Das System verfügt über leistungsstarke 3D-Grafikfunktionen, die eine wiederholte Änderung von Oberflächenformen am Bildschirm ermöglichen. Dies verhindert verschiedene Prozessfehler beim Stanzen und sichert die Werkstückqualität. Das von DIECOMP erfolgreich entwickelte Werkzeug-CAD-System hat den gesamten Produktionsvorbereitungszyklus von 18 auf 6 Wochen verkürzt. Auch einige europäische Länder haben bedeutende Fortschritte in der Forschung und Anwendung von Werkzeug-CAD/CAM erzielt. Renault beispielsweise nutzt die Software Euclid als primäres CAD/CAM-System und erledigt damit aktuell 95 % seiner Konstruktionsarbeiten. Darüber hinaus hat Renault auf Basis von Euclid zahlreiche Module speziell für die Bedürfnisse der Automobilindustrie entwickelt, wie etwa Megavision zur Kollisionsprüfung und OPTRIS zur Blechumformungsanalyse. Viele chinesische Unternehmen haben die Werkzeug-CAD-Technologie eingeführt und umfangreiche Erfahrungen in der computergestützten Programmierung gesammelt, wodurch die Werkzeugpräzision und -produktivität deutlich verbessert wurden. Verschiedene CAD-Programme, wie beispielsweise AutoCAD von Autodesk, finden zunehmend Verbreitung in der Werkzeugindustrie, und die computergestützte Konstruktion ersetzt nach und nach die manuelle. Zahlreiche große und mittelständische Unternehmen in China (hauptsächlich in der Automobil- und Haushaltsgeräteindustrie) haben sukzessive eine beträchtliche Anzahl von CAD-Systemen aus dem Ausland eingeführt und spezialisierte Konstruktions- und Analysesoftware konfiguriert, wodurch sie erhebliche wirtschaftliche Vorteile erzielt haben. Aus verschiedenen Gründen arbeiten viele Unternehmen jedoch noch immer mit manueller Formenkonstruktion. Obwohl einige Betriebe auf papierloses Design umgestiegen sind, basiert ein Großteil ihrer CAD-Arbeiten im Formenbau weiterhin auf computergestützter Konstruktion und 2D-Design. Nur wenige Unternehmen verfügen über Kompetenzen in der Konstruktion und Fertigung von Automobilformen, die international fortschrittlichen Standards entsprechen. 1989 entwickelte und fertigte das Chengdu Chengfei Automotive Mold Center erfolgreich einen kompletten Satz externer Hauptmodelle für die Karosserie von Iveco. Dabei kamen ausländische CAD/CAM-Technologie, CNC-Bearbeitung und CNC-Messtechnik zum Einsatz, vorwiegend mittels digitaler Übertragung. Obwohl einige im Inland entwickelte Softwarelösungen mit unabhängigen Schutzrechten – wie das vom Nationalen Forschungszentrum für CAD-Formenbau der Shanghai Jiaotong Universität entwickelte CAD-System für Kaltumformwerkzeuge, das vom Staatlichen Schlüssellabor für Formenbau der Huazhong Universität für Wissenschaft und Technologie in Wuhan entwickelte CAD/CAE/CAM-System HSC2.0 für Kunststoffspritzgussformen und das vom Huazheng Mold Research Institute der Beijing University of Aeronautics and Astronautics entwickelte CAD/CAM-System CAXA – einige Produktionsprobleme gelöst haben, sind sie noch nicht weit verbreitet. Derzeit benötigen Europa und die USA 48 Monate für die Markteinführung eines neuen Automodells, Japan hingegen nur 30 Monate. Mein Land hinkt in der Entwicklungs- und Designtechnologie neuer Automodelle, insbesondere von Limousinen, hinterher. Ein wichtiger Grund dafür ist die geringe Effizienz der Karosserieformherstellung. Traditionelle inländische Methoden der Formenkonstruktion genügen den Anforderungen der Automobilindustrie nicht mehr, während der Import von Karosserieformen nicht nur hohe Devisenkosten verursacht, sondern auch die Modernisierung der Automobilprodukte erheblich behindert. Zur Lösung der oben genannten Probleme ist die Forschung und Entwicklung eigener CAD-Technologien für Formen im Inland unerlässlich. Gleichzeitig ist der Import fortschrittlicher ausländischer Standard-Modellierungssoftware zur Weiterentwicklung zweifellos ein notwendiges und wirksames Mittel. 2. Technische Merkmale von CAD-Systemen für Karosserieteileformen (1) Merkmale von CAD-Oberflächen für Karosserieteileformen Die Formgebung von Karosserieteilen umfasst in der Regel mehrere Prozesse wie Ziehen, Trimmen, Formen, Bördeln und Stanzen. Der wichtigste Prozess im ersten Schritt, dem Ziehen, ist die Gestaltung der prozessnahen Oberflächen. Die Qualität dieser Oberflächengestaltung beeinflusst direkt, ob die entworfene Form fehlerfreie Teile herstellen kann, ob die Rüstzeiten verkürzt und der gesamte Produktionszyklus der Form beschleunigt werden können. (2) Merkmale von CAD-Strukturen für Karosserieteileformen Große Formstrukturen sind in der Regel sehr komplex. Eine große Karosserieteilform besteht aus Hunderten von Teilen, und auch die Außenabmessungen der Form sind recht groß. Die Konstruktion von Formstrukturen lässt sich im Allgemeinen in zwei Arten unterteilen: zweidimensionale und dreidimensionale Konstruktion. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile. Die computergestützte zweidimensionale Konstruktion ähnelt der manuellen Konstruktion am Zeichenbrett. Sie zählt zur planaren Darstellung. Ihre Vorteile liegen in der hohen Konstruktionsgeschwindigkeit, dem geringen Speicherbedarf und den niedrigen Anforderungen an die Computerhardware. Es handelt sich um eine Methode mit geringem Investitionsaufwand und schnellen Ergebnissen. Ihr Nachteil besteht darin, dass Konstruktionsfehler schwer zu erkennen und nicht direkt für Analyse und Weiterverarbeitung genutzt werden können. Die dreidimensionale Konstruktion bietet viele Vorteile, wie die Möglichkeit der Parametrisierung, der merkmalsbasierten Konstruktion und der vollständigen Korrelation. Dies erleichtert die Produktmodifikation während der Konstruktionsphase und ermöglicht Simultaneous Engineering. Dreidimensionale Konstruktionen sind anschaulich und intuitiv, und die Plausibilität der Konstruktionsstruktur wird sofort deutlich. Gleichzeitig reduziert die automatische Bemaßung in der dreidimensionalen Konstruktion menschliche Konstruktionsfehler. Allerdings bestehen weiterhin Probleme bei der dreidimensionalen Formenkonstruktion, wie z. B. die geringe Rechengeschwindigkeit, der hohe Speicherplatzbedarf der Software auf Festplatte und im Arbeitsspeicher, die vielen Projektionslinien der Formenstruktur und die langsame Konstruktionsgeschwindigkeit [3>]. 3. Die Hauptprobleme bei der Anwendung von CAD-Systemen für Karosserieteileformen im Automobilbereich: Karosserieteile nehmen eine wichtige Stellung im gesamten Fahrzeug ein, und die Karosserieteileform ist die wichtigste Prozessanlage für deren Herstellung und spielt eine entscheidende Rolle für die Qualität der Karosserie. Die Entwicklung der CAD/CAM-Technologie für Karosserieteileformen im Ausland hat mittlerweile eine Phase substanzieller Anwendung erreicht. Dies hat nicht nur die Qualität der Formenkonstruktion umfassend verbessert, sondern auch den Produktionszyklus der Formen erheblich verkürzt. In den letzten Jahren wurden auch in meinem Land bedeutende Fortschritte bei der Anwendung dieser Technologie erzielt, es bestehen jedoch weiterhin einige Probleme [2>: (1) Geringe Konstruktionseffizienz: Da die CAD-Technologie in meinem Land erst spät eingeführt wurde, ist das Niveau des Fachpersonals niedrig, und es herrscht ein großer Mangel an Fachkräften, die sowohl professionell als auch mit CAD/CAM-Anwendungssoftware vertraut sind. Dies führt zu geringen Entwicklungskapazitäten, einer niedrigen Qualität der selbst entwickelten CAD-Software und einer geringen Konstruktionseffizienz [3>. (2) Geringe Standardisierung: Aufgrund der unterschiedlichen Standards in den einzelnen Branchen und Unternehmen existiert kein etablierter Konstruktions- und Fertigungsstandard für Formenhersteller. Infolgedessen sind die Integration und Intelligenz der bestehenden CAD/CAM-Systeme für Karosserieformen relativ gering. (3) Geringe Spezialisierung der bestehenden CAD-Software: Es gibt nur wenige im Inland entwickelte CAD-Softwareprogramme. Die meisten der von Herstellern eingeführten fortschrittlichen ausländischen Softwarelösungen sind Allzweckprogramme und daher wenig spezialisiert. (4) Die Entwicklungsmethoden der CAD/CAM-Technologie für Karosserieformen sind relativ rückständig. Die Qualität und Zuverlässigkeit der entwickelten CAD/CAM-Systeme sind schwer zu gewährleisten, und der Entwicklungszyklus ist lang. (5) Die Mensch-Maschine-Schnittstelle des bestehenden CAD-Systems für Formen erfüllt nicht die Anforderungen verschiedener Anwender. (6) CAD wird hauptsächlich für die zweidimensionale Konstruktion verwendet und basiert größtenteils auf der Ersetzung manueller Zeichnungen durch Computerzeichnungen. II. Zukünftige Entwicklungstrends der CAD-Formentechnologie für Karosserieformen Die Formentechnologie ist eine der sich am schnellsten entwickelnden Technologien in der Fertigungsindustrie. Sie zeichnet sich durch hohe Stückzahlen, kleine Losgrößen und sehr schnelle Austauschbarkeit aus. Theoretisch ist dies der Bereich, in dem die CAD-Technologie ihre Vorteile am besten ausspielen kann. Die Fortschritte im Bereich Formen-CAD in meinem Land sind jedoch noch nicht sehr bedeutend, insbesondere bei der Anwendung von CAD-Technologie für Karosserieteile. Das enorme Potenzial dieser Technologie ist noch nicht ausgeschöpft. Der Schlüssel zur Lösung dieses Problems liegt in der Verbesserung der Konstruktionseffizienz von Formen. Die Entwicklung der Formen-CAD-Technologie zeigt derzeit folgende Trends: 1. Parametrische Modellierung im Formen-CAD: Die parametrische Modellierung ist eine relativ fortschrittliche Modellierungsmethode in der CAD-Technologie und ein effektives Mittel zur Steigerung der CAD-Arbeitseffizienz. Sie berücksichtigt die Tatsache, dass die Gesamtstruktur verschiedener Stanzwerkzeuge im Allgemeinen eine relativ standardisierte Form aufweist, indem sie entsprechende Parameter für die Grundabmessungen jedes Teils festlegt und die Wechselbeziehungen zwischen den Elementen jedes Teils auf Basis der tatsächlichen Geometrie und Topologie definiert. Ändern sich die Abmessungen von Formteilen aufgrund unterschiedlicher Formstrukturen, werden durch die Änderung der Werte relevanter Variablen in der Parameterdatei auch die entsprechenden Bemaßungswerte im zugehörigen Teilmodell geändert. Nach der Verarbeitung durch das maßgesteuerte Modul können Teile mit Abmessungen generiert werden, die den tatsächlichen Bemaßungen entsprechen. 2. Intelligentes Formen-CAD: Die Schwierigkeit bei der Konstruktion von Stanzformen liegt hauptsächlich in der Unvollständigkeit der Konstruktionstheorie und der Darstellung und Nutzung von Expertenwissen, das nur intuitiv erfassbar und schwer zu artikulieren ist. Ähnlich wie bei der manuellen Konstruktion ist die Konstruktion von Karosserieformteilen mit gängiger CAD-Software (einschließlich neuer integrierter CAD-Software) nach wie vor weitgehend auf das Fachwissen von Formenexperten angewiesen. Um die Konstruktion von Formenstrukturen zu automatisieren und die Abhängigkeit von diesen Experten zu reduzieren, ist die Entwicklung spezieller intelligenter Software für die Konstruktion von Karosserieformteilen erforderlich. Diese Software nutzt bewährte Erfahrungen aus früheren Konstruktions- und Fertigungsprozessen für die Formenkonstruktion, bildet eine Wissensbasis und eine Intelligenzbibliothek im Computer und generiert so ein Expertensystem. Dadurch kann das CAD-System die Arbeit von Formenkonstrukteuren übernehmen und Karosserieformteile konstruieren, die den Anforderungen entsprechen – das ist intelligentes Formen-CAD. Intelligentes CAD basiert auf Theorien der menschlichen Kognition und kombiniert das logische Urteilsvermögen, das umfassende Denken und die visuelle Vorstellungskraft von Konstrukteuren mit der hohen Rechengeschwindigkeit von Computern. Dadurch kann das CAD-System die Arbeit von Formenkonstrukteuren übernehmen und Stanzformen konstruieren, die den Anforderungen entsprechen. 3. Integration von Formen-CAD: Die Integration von Formen-CAD bezeichnet die Weiterentwicklung traditioneller Konstruktionsmethoden hin zur CAD/CAE/CAM-Integration. Der Formenbauprozess ist ein Informationsverarbeitungs-, -austausch- und -managementprozess. Der Einsatz von Finite-Elemente-Simulationen mit großen elastoplastischen Verformungen ermöglicht die Analyse des Umformprozesses von Werkstoffen, verbessert die Funktionalität der Prozessanalyse und von Formen-CAD/CAM-Systemen und erleichtert die Entwicklung fortschrittlicherer CAD/CAM-Systeme. Die CAD/CAE/CAM-Integration kann somit die Generierung, Transformation, Speicherung und das Flussmanagement von Informationen während des Konstruktions- und Fertigungsprozesses analysieren und steuern und diese organisch integrieren, um optimale Vorteile zu erzielen. 4. Spezialisierung von Formen-CAD: Zukünftige Formen-CAD-Systeme werden sich stärker spezialisieren. Einige universelle Softwarelösungen können aufgrund ihres großen Funktionsumfangs und ihrer geringen Spezialisierung den Anforderungen von großflächigen Formen-CAD-Systemen nicht mehr gerecht werden. Ein besserer Ansatz ist die enge Zusammenarbeit von Softwareunternehmen mit spezialisierten Formenbauern zur Entwicklung hochspezialisierter Formen-CAD-Software, wie beispielsweise das von PTC Software (USA) und Toyota Motor Corporation (Japan) auf Basis der PRO/E-Software entwickelte Modul PRO/DIEFACE zur Oberflächengestaltung von Formen. Dies ist auch eine Entwicklungsrichtung für Formen-CAD. Für inländische Formenhersteller ist es ein praktikabler und wirtschaftlicher Weg, ein eigenes Formen-CAD-System zu entwickeln, das auf den Eigenschaften ihrer Produkte basiert. Dies geschieht durch die Einführung fortschrittlicher ausländischer CAD-Software (wie UG, Pro/E usw.) und die Nutzung bestehender Entwicklungstechnologien.