METSTA » MBD – tieto 3D-muodossa suoraan CAD-mallista valmistusprosessiin

MBD – tieto 3D-muodossa suoraan CAD-mallista valmistusprosessiin

09.09.2016
MBD (Model based definition) on tuotetiedon dokumentoinnin menetelmä, jossa kaikki tuotetieto on upotettu 3D CAD-malliin. Tuotetietoja ovat CAD-geometrian lisäksi mm. mitat, toleranssit, pinnankarheus, pintakäsittelyt ja materiaalitiedot. MBD:n tarkoituksena on virtaviivaistaa ja tehostaa tuotetiedon laadintaa ja hyödyntämistä.

Nykytilanne

Nykyään yleisimmin käytettävä tuotteen mallinnusmenetelmä sisältää:
•    Tuotteen 3D-mallin ilman metadataa ja annotaatioita (mittatiedot ym.)
•    Täydellisen 2D-piirustuksen tuotteesta (siirretään usein PDF-muodossa)
•    Metadataa muissa muodoissa (esim. osaluettelot, ohjeet, mittauspöytäkirjat jne.).
Näistä tiedoista 2D-piirustus ja metadata lähetetään eteenpäin valmistusosastolle tai alihankkijoille. 3D-malli jää suunnitteluosaston haltuun (tietyissä tapauksissa myös 3D-mallia käytetään valmistuksessa, esim. ohutlevyosat tai valut). Tuotannonsuunnittelu, tuotanto ja laadunhallinta joutuvat jokainen erikseen hyödyntämään "latistetusta" 2D-kuvasta tarvitsemansa tiedot. Hyödyntäjät joutuvat yksi kerrallaan muodostamaan kokonaiskuvat kolmiulotteisesta tuotteesta 2D-piirustuksia tulkiten.

MBD

MBD-menetelmässä kaikki tuotetieto sijoitetaan 3D-malliin. Minkäänlaista erillistä "latistettua" 2D-piirustusta ei laadita lainkaan. Tieto siirretään suunnittelijalta joko CAD-sovelluksen natiiviformaatissa tai jollakin muulla tiedonsiirtoformaatilla (josta päämies ja alihankkija sopivat erikseen). Keveimpänä mahdollisuutena on mm. 3D-PDF.
3D-tiedon mukana siirtyvät mitta- ja toleranssitiedot sekä muut valmistusta ohjaavat tiedot. Osa tiedoista voi olla tekstitiedostojen muodossa.
Mitoitettua 3D-tuotemallia voidaan hyödyntää tehokkaasti valmistusprosessin eri vaiheissa, kuten CAM-ohjelmoinnissa ja 3D-mittalaitteen ohjelmoinnissa. 3D-mallit visualisoivat tehokkaasti myös kokoonpanoa.

MBD:n edut

MBD:n tarkoituksena on tuottaa kustannussäästöjä ja parempaa laatua suunnittelu- ja valmistusprosessin eri vaiheissa. Suunnittelija voi keskittyä 3D-tuotemalliin eikä aikaa tarvitse käyttää 2D-piirustuksen laadintaan. Niiden, jotka lukevat ja tulkitsevat suunnitteludataa, ei tarvitse kuluttaa aikaa kokonaiskuvan saamiseksi monimutkaisista ja mahdollisesti epätäydellisistä 2D-piirustuksista. Kerran mallinnettua osaa ei tarvitse mallintaa uudelleen vaan identtistä tuotetietoa hyödynnetään yhä uudelleen.

Pähkinänkuoressa MDB tarkoittaa:
•    3D-tuotemallin tehokkaampaa ja monipuolisempaa hyödyntämistä, myös tulevissa projekteissa
•    Laadukkaampaa, oikea-aikaista ja yksiselitteisempää tuotetietoa
•    Tuotetietoa ei siirretä formaatista toiseen eri tuotantovaiheissa = päällekkäisyydet vähenevät
•    mahdollisuuksia kustannussäästöihin tuotantoprosessin eri vaiheissa.

Alihankkija, mitä sinun pitäisi tehdä?

MBD tarkoittaa alihankintavalmistusta tarjoavalle yritykselle kilpailuedun mm. tuotannonsuunnittelussa syntyvästä ajansäästöstä. Toinen etu on palveluaspekti: MBD-osaamisella yritys voi saada kilpailuedun.
Yritykset ovat pikku hiljaa heräämässä MBD-menetelmien mahdollisuuksiin. Länsi-Eurooppa lienee Suomea edellä tässäkin asiassa. Voisiko suomalainen alihankintaverkosto menestyä MBD-palveluillaan hieman paremmin kovenevassa kilpailussa?
METSTA on laatimassa yhteistyökumppaniensa kanssa ohjeistusta MBD:n käyttöönottoon, joka sekä ohjeistaa että kuvaa hyviä toimintatapoja MBD:n käytössä. METSTAn mielestä MBD:n onnistuneen hyödyntämisen edellytyksenä ovat MBD:tä tukevat standardit ja niiden hallinta. Jos MBD:n käyttöönotossa hyödynnetään alusta lähtien hyväksi havaitut ja standardien mukaiset toimintatavat, käyttöönotto on mahdollista toteuttaa tehokkaasti ja yritykset pystyvät minimoimaan muun muassa yhteentoimivuuteen liittyvät haasteet.


MBD:tä tukevat SFS-EN ISO-standardit

Yleistä

Tekninen tuotedokumentointi (”koneenpiirustus”) on tehty ISO-standardien mukaisesti jo 1940-luvulta lähtien. ISO-standardeja kehitetään jatkuvasti ja niiden mukaiset menetelmät on tunnustettu käytännössä koko maailmassa. ISO-standardeilla ohjataan esittämistapojen (esim. viivatyypit ja leveydet, projektiot, leikkaussäännöt) lisäksi myös mitoitusta ja tolerointia.
Kansainvälisillä ISO-standardeilla on tärkeä rooli myös tulevaisuuden mallipohjaisessa tuotedokumentoinnissa. Jo nyt useissa olennaisissa teknisen tuotedokumentoinnin standardeissa esitetään menetelmiä mallipohjaisen dokumentoinnin organisoimisesta sekä 3D-malleihin tehtävistä merkinnöistä.
Suomalaisen teollisuuden kannattaisi omaksua ISO-standardien mukaiset säännöt heti alkuvaiheessa. Näin vältytään hankalilta muutoksilta ja uudelleenopettelulta myöhemmässä vaiheessa. Tärkeää olisi myös omaksua uusien MBD-sääntöjen lisäksi perinteisemmätkin säännöt, jotka tuntuvat välillä olevan vähän hukassa. Erityisesti mitoittamiseen ja tolerointiin liittyvät perussäännöt on hallittava, koska niitä ei ainakaan vielä ole automatisoitu CAD-järjestelmillä.

Perusteet, SFS-ISO 16792
Siirryttäessä käyttämään MBD-tekniikoita ehdoton perusstandardi on SFS-ISO 16792, Tekninen tuotedokumentointi. Digitaalista tuotemäärittelytietoa koskevat käytännöt. Siinä esitetään mallia koskevat tiedonhallinnan vaatimukset ja eri mallinnusratkaisut. Lisäksi standardi käsittelee kattavasti erilaisia yleisiä merkintäsääntöjä ja -tekniikoita. SFS-ISO 16792 on suomennettu, joten siihen perehtyminen käy varsin helposti.

Mittatoleranssit, SFS-EN ISO 14405
Mittatoleroinnin tekniikat esitetään standardissa SFS-EN ISO 14405-1. Tärkeää on tiedostaa, että oletusmitta ISOn järjestelmässä on kaksipistemitta. Pelkkä pituusmitta ei koskaan sisällä vaatimusta kappaleen muodosta (esim. akselin lieriömäisyys tai pinnan tasomaisuus). Pituusmitat on tarkoitettu pääasiassa ns. mitallisille elementeille, joita ovat mm. kahden yhdensuuntaisen tason välinen etäisyys sekä reiän tai akselin halkaisija. Suunnittelijan olisi käytettävä toiminnallisesti tärkeissä kohdissa geometrisia toleransseja. Standardin SFS-EN ISO 14405 osa 2 käsittelee hyviä mitoitustapoja.

Geometriset toleranssit, SFS-EN ISO 1101
Tuotteen toiminnalliset ominaisuudet on aina määriteltävä riittävällä tavalla. Pelkkä pituusmitta ei aina ole riittävä määrittely. Standardi SFS-EN ISO 1101 on ollut olemassa eri painoksina jo vuosikymmeniä. Siinä määritellään geometriset toleranssit ja niiden käyttöä koskevat säännöt. Standardin viimeisimmät painokset sisältävät sääntöjä ja esimerkkejä MDB-tekniikkaan. Säännöt on välttämätöntä tuntea, jotta geometrinen määrittely on asianmukainen.
Geometriseen tolerointiin liittyvät kiinteästi myös peruselementit. Niitä ja niihin liittyviä MBD-sääntöjä käsitellään standardissa SFS-EN ISO 5459.

Yleistoleranssit
Yleistoleranssit koskevat työkappaleen niitä piirteitä (tai elementtejä GPS-standardeissa), joille ei ole asetettu yksilöllistä toleranssia. Yleistoleranssi on voimassa vain silloin, kun se on esitetty piirustuksessa tai tuotemallissa.
Ylivoimaisesti eniten käytetty yleistoleranssistandardi suomalaisessa teollisuudessa on ISO 2768 (osat 1 ja 2). Teknisissä piirustuksissa joskus nähtävä pituusmittojen yleistoleranssitaulukko on lähes aina peräisin tästä standardista. Otsikkotauluun merkittävä yleistoleranssiaste (esim. "ISO 2768-m) on myös standardin ISO 2768 mukainen merkintä.
ISO 2768 on vanha standardi, mutta pituusmittoja koskeva osa 1 on perinteisissä piirustuksissa yhä käyttökelpoinen. Geometrisia yleistoleransseja käsittelevä osa 2 onkin sitten hyvin ongelmallinen standardi. Sen soveltaminen monimutkaisemmissa tapauksissa johtaa epäselvyyksiin ja monitulkintaisuuteen. ISOn tekninen komitea ISO/TC 213 onkin suosittanut 2016 helmikuussa standardin ISO 2768-2 kumoamista.
MBD:n osalta on tärkeää huomata, että ISO 2768 on täysin käyttökelvoton. Pituusmittojen yleistoleransseja ei voi soveltaa mallista tiedusteltuihin etäisyysmittoihin (esim. reiän sijaintia voidaan tiedustella 3D-mallista mielivaltaisista pisteistä käsin. Kaikkia eri mittauksia koskisi erilainen yleistoleranssi, joka johtaisi määrittelemättömään tilanteeseen). Suunnittelijan annotaatioina tekemiä TED-mittoja (teoreettisesti tarkat mitat, "laatikkomitat") yleistoleranssit eivät koske muutenkaan.
Mitä sitten standardin ISO 2768 tilalle? Tekninen komitea ISO/TC 213 on parhaillaan laatimassa uutta yleistoleranssistandardia. Tällä hetkellä näyttää siltä, että uusi yleistoleranssi perustuu geometriseen muototoleranssiin, joka annetaan mahdollisesti jonkin peruselementtijärjestelmän suhteen. Todennäköisesti minkäänlaista valmista nimellismittoihin perustuvaa yleistoleranssitaulukkoa ei standardisoida. Valmistusmenetelmien ja teollisuuden kirjo on niin laaja, että on mahdotonta laatia yhtä kaikkialle sopivaa yleistoleranssitaulukkoa. Sopivista yleistoleransseista päättäminen jää suunnittelijan vastuulle. Tässä vaiheessa on kuitenkin aikaista sanoa mikä lopullinen standardisoitu menetelmä on.

Yleiset GPS-säännöt, SFS-EN ISO 8015
MBD-menetelmää koskevat samat teknisen tuotedokumentoinnin ja toleroinnin säännöt kuin perinteistäkin suunnittelutapaa. Jokaisen suunnittelijan olisi syytä tutustua standardiin SFS-EN ISO 8015, jossa esitetään tärkeitä ISO GPS –järjestelmää koskevia perussääntöjä. Tärkeitä sääntöjä ovat mm.
•    Piirustus määrää -sääntö: dokumentoinnin on oltava tarpeeksi kattavaa, että kaikki tarvittava voidaan valmistaa ohjeiden mukaisesti. Määrittelemättömiä asioita ei tarvitse valmistaa (ts. minkäänlaista hyvää konepajakäytäntöä ei oleteta olevan). Tähän liittyy myös eri työvaiheita koskevat erilaiset mitat: Jos esitetään vain yksi mitta, sen katsotaan olevan lopputuotteen mitta.
•    Elementti-sääntö: toleranssimerkintä koskee oletusarvoisesti vain sitä elementtiä, johon merkintä on liitetty. Jos toleranssin halutaan vaikuttavan laajemmin, se on merkittävä asianmukaisesti
•    Riippumattomuuden sääntö: kaikki tuotteelle asetetut toleranssivaatimusten on toteuduttava toisistaan riippumattomina, ellei toisin ole sanottu. Esim. akselin kaksipistehalkaisija ja ympyrämäisyys on todettava kahdella eri mittauksella.

Hitsausmerkinnät, SFS-EN ISO 2553
Hitsausmerkkejä koskeva vastikään uusittu standardi SFS-EN ISO 2553 Hitsaus ja niiden lähiprosessit. Merkinnät piirustuksiin sisältää myös ohjeita ja menetelmiä 3D-malleja varten.
STEP-tiedonsiirtoformaatti
MBD:n yksi kulmakivi ovat toimivat tiedonsiirtoformaatit. CAD-järjestelmien natiiviformaattien rinnalla käytössä on geneerinen formaatti STEP. STEP-formaatti perustuu ISOn standardisointiin. Mitoitus-, tolerointi- ja annotaatiotietojen siirtoa käsittelee STEP-standardin ISO 10303 osa 242. STEP-standardia hyödyntävät suoraan lähinnä ohjelmistovalmistajat.

ASME-standardit
Pohjois-Amerikassa ASME-standardeilla on vankka jalansija. Siellä edellä mainittuja ISO-standardeja vastaavat standardit ovat ASME Y14.41 ja ASME Y14.5. Ne poikkeavat joiltain osin merkittävästi ISO-järjestelmästä, ja niiden käyttöä Suomessa ja EU-alueella kannattaa harkita tarkkaan.

Taustatietoa tekstissä esiintyvistä standardien tunnuksista:
SFS-EN ISO
Koko maailman kattava standardi (ISO), joka on hyväksytty myös eurooppalaisen standardisointijärjestön CENin toimesta (EN). Kaikki Eurooppalaiset standardit vahvistetaan aina myös kansallisiksi standardeiksi Suomessa (SFS)
SFS-ISO
Koko maailman kattava standardi (ISO), jota ei toistaiseksi ole hyväksytty eurooppalaiseksi standardiksi. Suomessa standardi on tekniseltä ratkaisultaan kansallisesti hyväksytty ja se on vahvistettu kansalliseksi standardiksi (SFS). Tekninen sisältö on aina täysin sama SFS-ISO ja ISO-julkaisuissa. SFS-ISO standardin hinta on edullisempi kuin kansallisesti vahvistamattoman ISO standardin, koska kansallisesti hyväksytyistä standardeista  SFS:n ei tarvitse maksaa ISO-järjestölle erillistä käyttömaksua.
SFS-EN
Euroopan alueen (CEN-jäsenmaat) kattava standardi (EN). Kaikki Eurooppalaiset standardit vahvistetaan aina myös kansallisiksi standardeiksi Suomessa (SFS).