Kunst der Fuge

von Ulrich Schmidt

Hans Hagens Arbeitszimmer hat wenig von einem Entwicklungsbüro. Vor dem Fenster räkelt sich eine beige Couchgarnitur, in der Ecke wächst eine Palme. Im Zentrum des Büros aber steht der Computer. Er stellt die Verbindung zur Welt der Automobile dar. Auf dem Bildschirm, an dem ein Foto von Hagens Tochter klebt, läuft ein Simulationsprogramm. Hans Hagen spielt Automobilfabrik: Wenn seine Ampeln auf rot springen, bedeutet das den GAU am Fließband. Ein Stück Blech ist zu stark gebogen, zu lang, zu kurz, oder eine Bohrung sitzt an der falschen Stelle. Das Band müsste angehalten werden. "Das kostet Millionen", sagt Hagen. Deshalb darf es nie passieren.
Hans Hagen, Professor für Informatik an der Universität Kaiserslautern, hat deshalb gemeinsam mit der Landauer ProCAEss, einer Ausgründung aus der Universität Kaiserslautern, eine Software entwickelt, die Fehler frühzeitig erkennt und Änderungen mit minimalem Aufwand ermöglicht. Hagens Rezept: Qualitätskontrolle in der Entwicklungsphase. Die Hersteller definieren dabei neuralgische Karosseriepunkte, die später in der Fertigung auf den Millimeter genau sitzen müssen.


Anschließend simulieren sie mit Hagens Software die Fertigung. Erst wenn im virtuellen Versuch alles stimmt, entstehen die Prototypen. Natürlich unter ständiger Kontrolle der Software: Die vorgegebenen, neuralgischen Punkte werden vermessen, Abweichungen gespeichert. Nähern sie sich einer kritischen Marke, warnt der Computer noch einmal. Geht zu viel schief, ist der Prototyp Schrott. Erst wenn der Rechner endgültig grünes Licht gibt, kann die Produktion angefahren werden. Hagens Software kann dann aber immer noch im Spiel bleiben, sie kontrolliert dann die Fertigung.

Die Fertigung von Autos ist heute durch und durch maschinell. Dass die gefertigten Teile dennoch nicht immer gleich sind, liegt an den Werkstoffen. Beispiel Blech: Um es in Form zu bringen, wird es zunächst gebogen. Allerdings federt es ein Stück zurück, jede Charge Blech auf ihre Weise. Hinzu kommt, dass die Materialien auf Temperaturschwankungen reagieren und die Maschinen sich mit der Zeit abnutzen. Die Folgen können schwerwiegend sein. "Das Band müsste gestoppt werden, wenn etwa der Kofferraum nicht mehr schließt", erklärt der gelernte Maschinenbauer Jens Trautmann von ProCAEss. Damit es so weit nicht kommt, werden die rund 350 Einzelteile einer Karosserie regelmäßig vermessen. Kommt es zu größeren Unregelmäßigkeiten, werden Korrekturen eingeleitet.

Ist und Soll

Die Geschichte eines neuen Modells beginnt am Computer. Die Formen werden dabei immer freier, "keilförmiger und windschnittiger", wie Hans Hagen sagt. Und dort setzt sein Job ein. Er nimmt dann seine Lieblingsarbeitshaltung ein, setzt sich auf die Couch, die Füße locker auf den Tisch gelegt, und denkt nach. Denkt nach, um mathematische Algorithmen zu finden, die die neuen Formen beschreiben. Erst mit Hilfe dieser Algorithmen können die Stanzmaschinen programmiert werden. Doch die passende mathematische Funktion zu finden, ist nicht leicht. Allein zehn Wochen brüteten Hagen und seine Mitarbeiter über Formeln für eine Fläche wie die Einbuchtung unter einem Autotürgriff.


 
Windschnittige Eleganz
 
Die gesamte Karosserie besteht aus solchen Formeln. Mit ihnen lassen sich nicht nur die Stanzmaschinen programmieren, sondern auch die Koordinaten jedes einzelnen Punktes der Karosserie. Das sind die sogenannten Soll-Werte. Später werden am Fahrzeug die Ist-Werte gemessen und mit dem Soll verglichen. Doch nur die wichtigsten Punkte können kontrolliert werden. Pro Anbauteil zwischen 50 und 200. Nach jedem Fertigungsschritt wird neu vermessen, bis zu 4000 Punkte pro Fahrzeug. Wo gemessen wird und wie weit die Ist-Werte von den Soll-Werten abweichen dürfen, entscheidet der Messplaner. Er kennt die neuralgischen Punkte, etwa die Achsaufnahmen, auf denen die Karosserie aufgesetzt wird. Dort dürfen nur geringste Abweichungen auftreten, maximal zwei Zehntelmillimeter. Außerdem, erzählt Hagen, müsse der Messplaner wissen, an welchen Stellen das Licht gebrochen werde, denn diese Orte seien essentiell für die Optik des Autos. Alles in allem benötige der Job "sehr viel Erfahrung".

Weniger Schrott

Bevor die ersten Prototypen tatsächlich gebaut und vermessen werden, kommt erneut der Computer ins Spiel. Er simuliert die gesamte Fertigung und schaut, ob alles zusammen passt. So kann es vorkommen, dass sich ein Teil nicht mehr montieren lässt, weil ein anderes im Weg ist. Schon die Änderung der Montagereihenfolge könnte das Problem beheben. Am Computer kein Problem: Ein paar Knopfdrucke regeln die Korrektur, ohne dass ein einziges Fahrzeug neu gebaut wird. "Es wird weniger Schrott produziert", sagt Hagen. Das spart Hunderttausende Euros.

Die ersten realen Abweichungen von den Soll-Werten auf entstehen bei den Prototypen. Wie groß die Abweichungen sind, misst dann schon ein Roboter. Er garantiert in der Automobilindustrie die Qualität. Mit seinem langen Messarm greift er auf den vom Messplaner bestimmten Punkt zu. Dabei ist Vorsicht geboten, denn "wenn der Messarm sich von der falschen Seite nähert, wird ein Crash erzeugt", warnt Trautmann. Falls aber alles klappt, reagiert ein Taster an der Spitze des Arms auf den Widerstand des Bleches und bestimmt so dessen Koordinaten, die Ist-Werte. Seitenlange Messprotokolle geben Auskunft darüber, ob die Abweichungen vom Soll-Wert noch im Toleranzbereich liegen oder nicht. Hans Hagens Software bewertet die Ergebnisse: Auf dem Bildschirm zeigt die Ampel grün für einen guten Wert, gelb für einen kritischen und rot für einen außerhalb des Toleranzbereiches. Auf Knopfdruck zeichnet der Computer die Messpunkte dreidimensional oder stellt sie tabellarisch nebeneinander, ganz nach Bedarf. Fehler und deren Auswirkungen sind auf diese Weise sofort erkennbar - moderne Kunst der Fuge.

Bei allen Schritten der Qualitätssicherung - von der Messplanung über Simulation und Messung bis zur Auswertung - hilft heute der Computer den Automobilherstellern. "Ich kann es mir gar nicht mehr anders vorstellen", sagt der Leiter der Messtechnik im Versuchsfahrzeugbau bei BMW, Henning Müller-Vogelmann. Er kann sich kaum noch erinnern an die Zeit, als die Messungen mit Hilfe von Zeichnungen durchgeführt wurden. Vor allem, wenn etwas geändert werden müsse, seien Computer einfach schneller, sagt er.

Ganze Datensätze verloren

Doch Computer ist nicht gleich Computer. Bislang liefen die einzelnen Schritte der Qualitätssicherung unabhängig voneinander. Die Messplanung wurde in einem anderen System durchgeführt als die Simulation, die ihrerseits unabhängig war von der eigentlichen Messung und der Auswertung. Die beteiligten Maschinen und Software-Systeme waren nur lose gekoppelt über sogenannte File-Schnittstellen. Bei dieser Art der Datenübertragung gingen viele Informationen verloren. Manchmal waren es nur beschreibende Zusatzinformationen des Messplaners, etwa "dass das Teil auf eine bestimmte Weise gespannt werden soll", so Trautmann. Manchmal aber gingen auch ganze Datensätze verloren. Von Hand mussten sie dann erneut eingegeben werden.

Das geht auch einfacher, hatten sich Hans Hagen und seine Kollegen bei ProCAEss überlegt. Sie wollten eine Software, die all jene Schritte der Qualitätssicherung zusammenführt, die vorher getrennt voneinander abliefen. Im Sommer 2002 haben sie das von der Stiftung Innovation des Landes Rheinland-Pfalz mit rund 250.000 Euro geförderte Projekt abgeschlossen. Unter dem Namen "eMMA" (Enhanced Measure Management Application) wird es in der Entwicklungsabteilung von BMW angewendet. Zwei Zulieferer haben bereits Interesse angemeldet.

Tüfteln bis zum Serienmodell

EMMA verwaltet alle Daten in einer zentralen Datenbank. Sie speichert sowohl die Computerentwürfe der Autos als auch die Messpunkte samt Anmerkungen des Messplaners, die Soll-Werte samt Toleranzen und die Ist-Werte aller Messungen. Auf die Datenbank greifen alle beteiligten Maschinen direkt zu, der Verlust von Daten an Schnittstellen ist dadurch behoben. Vor allem aber erleichtert eMMA Änderungen des Messplans. Wo bislang Spezialisten ihre jeweiligen Systeme einzeln programmierten, wird nun alles von einer zentralen Benutzeroberfläche aus gesteuert. Messplanung, Simulation und Auswertung können mit wenigen Knopfdrücken geändert werden. Auch die Mess-Roboter werden von dort aus programmiert, nicht mehr durch eine Probemessung und anschließende Abspeicherung der Daten. So kann während der Entwicklungsphase immer wieder getüftelt und gebastelt werden, bis das Serienmodell steht.

Tatsächlich wird heute in der Autoindustrie pausenlos verändert, ohne dass dabei jedes Mal ein teurer Prototyp verheizt wird. Die Computer machen es möglich. Sie vermeiden den Entwicklungsschrott. Billiger werden Autos deshalb zwar nicht, aber eben besser. Während ein VW Käfer seinerzeit über Jahrzehnte hinweg ohne nennenswerte Veränderungen produziert wurde, steht heute alle paar Jahre zumindest ein Facelifting an. "Früher", da ist sich Jens Trautmann sicher, "wäre das unbezahlbar gewesen".