ECAD Die Folgen falschen CAD-/MCAD- und Designdaten-Managements

Margit Kuther

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Wenn Elektronik- mit Mechanik-Entwickler zusammenarbeiten, hapert es oft am Datenaustausch zwischen ECAD- und MCAD-Systemen. Hier erfahren Sie, wie sich diese Hindernisse aus dem Weg räumen lassen.

Der MCAD CO-Designer von Solidworks: Diese Erweiterung für den  Altium-Designer räumt die Hindernisse bei der Zusammenarbeit von Elektronik- und Mechanik-Entwicklern aus dem Weg.
Der MCAD CO-Designer von Solidworks: Diese Erweiterung für den Altium-Designer räumt die Hindernisse bei der Zusammenarbeit von Elektronik- und Mechanik-Entwicklern aus dem Weg.
(Bild: Altium)

Es ist eine Binsenweisheit, dass Entwickler nur einen Teil ihrer Arbeitszeit mit wirklichem Design verbringen. Gelegentlich ist der Anteil dieser Zeit sogar frustrierend gering. Ein großer Teil des Zeitaufwands, der mit zusätzlichen Aufgaben verbracht wird, kann auf das Konto des Informationsmanagements gehen. Ebenso wie in allen anderen IT-Anwendungen kann die Automatisierung auch hier erhebliche Verbesserungen bringen – allerdings nur, wenn die verwendeten Systeme auch wirklich auf die jeweilige Aufgabe abgestimmt sind.

Designaustausch zwischen ECAD und MCAD

Das Leiterplattendesign lässt sich als eine zentrale Designfunktion ansehen. Betrachtet man es aus einer Richtung, definiert es einerseits das Gesamtformat des finalen Produkts und wird umgekehrt von diesem Format eingeschränkt. Es findet ein Austausch mit der mechanischen Welt statt (hinsichtlich der Designsysteme also zwischen ECAD und MCAD), der sich auf die äußeren Abmessungen des Produkts ebenso bezieht wie darauf, wie die elektronischen Baugruppen im Gehäuse untergebracht werden.

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Aus einem anderen Blickwinkel gesehen, konzentriert sich in der Leiterplatte die gesamte Arbeit, die in das Schaltungsdesign investiert wird. Hinzu kommt der Arbeitsaufwand für das Auswählen und Beschaffen der Bauelemente sowie die gesamte Verifikation im elektronischen, mechanischen und thermischen Bereich.

Bei allen diesen Aspekten geht es um Informationen, die bezogen, gepflegt und zwischen einer Vielzahl von Systemen ausgetauscht werden müssen. Von dieser Warte aus betrachtet, ist es ohne Zweifel wünschenswert, dass die verschiedenen Phasen des Designprozesses und die dabei verwendeten Informationen einheitliche Datenformate nutzen und den Informationsaustausch so reibungslos wie möglich abwickeln. Die Realität, an die sich viele Entwickler inzwischen gewöhnt haben, kommt jedoch bei weitem nicht an dieses Idealbild heran.

Ein bestens bekanntes Fallbeispiel für die soeben skizzierte Situation ist die Schnittstelle zwischen den Designumgebungen für Mechanik und Elektronik (d. h. die Leiterplatten). Die Leiterplatte muss in allen drei Dimensionen in ein bestimmtes Gehäuse passen. Der verfügbare Platz wird entweder vorab zugewiesen, oder das Gehäuse wird um die Leiterplatte herum konstruiert. In beiden Fällen erfordert die Entwicklung einen Austausch zwischen den mechanischen und elektronischen Designdisziplinen – in der Praxis eher mehrere Austauschvorgänge oder Iterationen.

Mit der Zeit ist eine Vielzahl kommerziell angebotener oder auch selbstgebauter Systeme entstanden, die diesen Austausch erleichtern sollen. Wo Dateien zwischen ECAD und MCAD hin und her übertragen werden, sind zwei Dateiformate gebräuchlich. Das IDF (Intermediate File Format) ist zwar seit langem etabliert, versagt jedoch bei der Übertragung der umfassenden Geometrie. Es liefert keine vollwertige dreidimensionale Darstellung, sondern ein Layout oder Footprint, das durch Höhenangaben zu einzelnen Bauteilen ergänzt wird (diese stammen aus Komponentenmodellen, auf die weiter unten noch eingegangen wird).

STEP (Standard for The Exchange of Product model data) geht einen Schritt weiter, indem es eine echte 3D-Darstellung des Designs bereitstellt. Es kann für Leiterplatten, Komponenten, mechanische Baugruppen/Gehäuse sowie beliebige andere Designdateien eingesetzt werden, an denen mehrere Designer mit verschiedenen Programmen gemeinsam arbeiten. Auch hier ist jedoch immer noch der Im- und Export von Dateien zwischen verschiedenen Softwarepaketen erforderlich – mitsamt dem damit einhergehenden Aufwand bei der Versionskontrolle und den Fehlermöglichkeiten. Die Verwendung von STEP für den bidirektionalen Datentransfer zwischen Programmen hat spezifische Vor- und Nachteile.

Native 3D-Tools für das Leiterplattendesign

Native 3D-Tools zum Editieren von Leiterplatten, die innerhalb der ECAD-Software für das mechanische Design laufen, zumindest für die Ausrichtung, die Platzierung und den Export dreidimensionaler Mechanikmodelle, machen es möglich, einen großen Teil der Arbeit in einem einzigen Softwarepaket zu erledigen. Altium Designer enthält beispielsweise Funktionen zum Ausrichten von 3D-Komponentenmodellen auf Footprints, zum Modellieren sowie zum Prüfen von Abständen zu Gehäusen. Falls nötig, sind auch Standard-Exporte komplexer Leiterplatten-Merkmale für die MCAD-Anbindung möglich. Vor kurzem entwickelte Altium außerdem ein neues Leiterplatten-Tool, das die Leiterplatten-Daten umfassend mit vollen 3D-CAD-Funktionen in SolidWorks integriert.

Die wirklichen Kosten, die aus dem Fehlen einer kohärenten Verbindung zwischen ECAD und MCAD resultieren, können beträchtlich sein. Sie können sich als nicht eingehaltene Termine und längere Markteinführungszeiten ebenso manifestieren, wie durch den ineffizienten Einsatz von Fachpersonal, sodass mehr Mitarbeiter vorgehalten werden müssen als eigentlich nötig. Wenn Designs wegen eingeschränkter Möglichkeiten zum Sondieren von Designvarianten in weniger eleganter Form auf den Markt kommen, kann dies außerdem den Umsatz schmälern. Hinzu kommen selbstverständlich die Auswirkungen, die wiederholte Prototyp-Iterationen auf das Entwicklungsbudget haben.

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Jeder gravierende Fehler kann eine ungewollte Prototyp-Iteration verursachen. Das Erzielen eines konfliktfreien Resultats gleich im ersten Anlauf ist jedoch in Wirklichkeit nur der erste Schritt. Auch ohne die Iterationen, die aus Fehlern beim Dateitransfer resultieren, erfordert der Designprozess in aller Regel mehrere Überarbeitungen und Modifikationen. Wie bei jeder Entwicklung, werden auch hier die aus einem Änderungsauftrag resultierenden Kosten umso höher, je weiter das Design bereits fortgeschritten ist. Im Durchschnitt kostet die Umsetzung eines Änderungsauftrags während der Entwicklung etwa 1.800 Euro. Dieser Betrag wächst jedoch auf nahezu 10.000 Euro, wenn ein Design bereits für die Fertigung freigegeben wurde.

Wenn es keinen automatisierten Datenaustausch gibt oder kein Vertrauen darin besteht, dass die korrekten Parameter übergeben werden, können hieraus noch subtilere Kosten entstehen. Erhöht man beispielsweise Toleranzen und Abstände, nur um ganz sicher zu gehen, so erhält man zwangsläufig Designs, die größer sind, mehr Material verbrauchen und eventuell höhere Kosten für Bauelemente verursachen als nötig. In einer Zeit immer kompakterer und zunehmend portabler Produkte ist dies aber mehr und mehr inakzeptabel.

Ebenso können Designer zum Überprüfen einer korrekten Passgenauigkeit wieder auf traditionelle Methoden setzen, wie zum Beispiel auf Papier- oder Kartonmodelle. Wenn man von der Ressourcenvergeudung absieht, die es bedeutet, wenn hochqualifizierte Schaltungs- und Leiterplattendesigner ihre Zeit mit dem Anfertigen von Pappmodellen verbringen, sind diese Attrappen auch nicht in der Lage, bestimmte Aspekte, wie etwa die Biegeradien von Rigid-Flex-Baugruppen, nachzubilden. Mit den aktuellen Releases von Altium Designer ist dies dagegen sehr wohl möglich.

Heutzutage ist es technisch machbar, mit 3D-Druckern räumliche Modelle anzufertigen, mit denen sich die korrekte Passgenauigkeit überprüfen lässt. Diese können eine nützliche Hilfe sein, um einen realen Eindruck vom Look and Feel des späteren Produkts zu bekommen. Verglichen mit einer integrierten ECAD/MCAD-Umgebung aber sind auch sie ein sehr eingeschränktes Hilfsmittel zur Verifikation der Passgenauigkeit und Abständen.

Nahtlose Umgebung für Elektronik- und Mechanikdesigner

Ein typischer konventioneller Designablauf beginnt mit einem Layoutentwurf, der entweder von mechanischen Vorgaben („es muss hier hineinpassen“) oder elektrischen Restriktionen („das Leiterplatten-Layout sieht logischerweise so aus, also muss das Gehäuse darum herum konstruiert werden“) bestimmt wird. Wenn nun die erste Leiterplattenversion in das Gehäuse passt, keines der Bauelemente aus dem vorgesehenen Raum herausragt und keine unerwarteten Konflikte auftreten, kann dieses Layout als unveränderlich festgelegt werden, denn größere Änderungen wären mit zu viel Aufwand verbunden. Mit einer nahtlosen Designumgebung aber erhalten Elektronik- und Mechanikdesigner die Möglichkeit, in der virtuellen Umgebung alternative Layouts und Formen zu sondieren, ohne dass für jede Änderung die Kosten einer größeren Designiteration in Kauf genommen werden müssten.

Ein Leiterplatten-Layout muss mit Bauelementen besetzt werden, und so stellt eine umfassende und präzise Komponentenbibliothek einen weiteren entscheidenden Aspekt einer integrierten Designumgebung dar. Viele Jahre lang bestand eines der Hindernisse, die einer integrierten Leiterplatten- und 3D-Designumgebung im Weg standen, in der eingeschränkten Verfügbarkeit von Komponentendaten. Wenn auch nur für einen geringen Teil aller verwendeten Bauelemente keine exakten Abmessungen verfügbar sind, kann man sich den Aufwand zum Einrichten eines CAD-basierten Ablaufs aber im Prinzip sparen. Heute ist die Situation deutlich besser, denn die Bauelemente-Hersteller und ihre Distributoren stellen Abmessungen und Parameter routinemäßig in gängigen Formaten zur Verfügung.

Ebenso wie bei der ECAD/MCAD-Schnittstelle ist es auch hier sehr vorteilhaft, über eine konsolidierte Designumgebung mit uneingeschränktem Zugriff auf sämtliche Aspekte der Komponentendaten zu verfügen. Der Schaltungsdesigner nähert sich der Bauteil-Auswahl zunächst aus dem Blickwinkel der elektrischen bzw. elektronischen Performance. Diese aber ist nur ein Teil der im gesamten Datenbestand vorgehaltenen, vollständigen Beschreibung des Bauelements.

Zu den weiteren Attributen gehören das physische Modell mit der kompletten Geometrie und der gerenderten Darstellung, das Schaltplansymbol, der Leiterplatten-Footprint sowie der Einblick in die eCommerce-Lieferkette, um echtzeitaktuelle Informationen über Lieferbarkeit und Preise zu bekommen. Wird das Bauteil ‚für neue Designs empfohlen‘ oder ist es mit ‚End of Life‘ markiert? Ist es das bevorzugte Bauteil und gibt es ähnliche Komponenten, die die Anforderungen ebenfalls erfüllen? Hat es beim Einsatz dieses Bauteils in der Vergangenheit irgendwelche Probleme gegeben? Wenn es in die Bibliothek aufgenommen werden muss, ist welche Vorlaufzeit dafür einzukalkulieren?

Folgen ineffizient verwalteter ECAD-Bibliotheken

Welche Möglichkeiten sich ergeben, wenn diese Daten organisch in die Designumgebung eingebunden sind, muss kaum erwähnt werden. Weniger offensichtlich sind vielleicht die potenziellen Kosten, die sich aus ineffizient verwalteten ECAD-Bibliotheken ergeben. Ineffiziente Abläufe können administrativen Aufwand verursachen und erhöhte Betriebskosten durch redundante oder nicht zentralisierte Infrastrukturen zur Folge haben. Außerdem kann Doppelarbeit entstehen, wenn beispielsweise Bauelemente bezogen und qualifiziert werden, die Ähnlichkeit mit bereits vorhandenen Komponenten haben, anstatt eine einheitliche Bibliothek zu nutzen und sich an die Liste empfohlener Bauelemente zu halten. Dies wiederum kann die Lagerhaltungskosten in die Höhe treiben, wenn redundante Bauteile bevorratet werden, schließlich obsolet werden und anschließend abgeschrieben werden müssen.

Kosten entstehen auch, wenn die Qualität der Komponentendaten zu wünschen übrig lässt. Unvollständige Informationen oder unzureichende Qualifikationsprozesse für Bauelemente können Raum für Mehrdeutigkeiten lassen und kostspielige Nacharbeiten am Produkt erforderlich machen, wenn eine Verifikation des Designs Mängel offenbart. Serienfertigung und Auslieferung verzögern sich dann zwangsläufig. Schlimmer noch ist es, wenn die Probleme erst nach erfolgter Produkteinführung zutage treten und zu Qualitäts-, Zuverlässigkeits- oder Compliance-Problemen mit dem Endprodukt führen.

Die integrierte Bibliothek und ECAD/MCAD-Umgebung muss deshalb mehr bieten als nur nahtlose Unterstützung des Designprozesses. Unbedingt erforderlich ist auch eine umfassende Ausstattung an Tools für das Management der in der Umgebung vorgehaltenen Daten. Neben der Bibliothek selbst müssen also auch alle vom Librarian benötigten Tools vorhanden sein. Dies schließt eine umfassende Zugangskontrolle ein: wer hat die Berechtigung zum Erstellen, Modifizieren und Löschen von Bauteilen? Die Designer benötigen dagegen Möglichkeiten, auf Bauteile zuzugreifen und sie in ein Projekt zu integrieren sowie bei Bedarf Kommentare einzufügen.

Zur Implementierung dieser Funktion gibt es eine Reihe von Optionen. Sie kann, wie es bereits häufig praktiziert wurde, durch innerhalb der Organisation des Anwenders entwickelte, speziell angefertigte Lösungen bereitgestellt werden. Diese werden meist separat von der CAD/EDA-Umgebung realisiert und lassen sich nur unter Schwierigkeiten fest einbinden. Es fehlt außerdem die Fähigkeit, den sich weiterentwickelnden Industriestandards zu folgen. Alternative Lösungen sind unter anderem jene, die auf einer Product Life-Cycle Management-Plattform basieren, doch auch hier wird der angestrebte ideale Integrationsgrad möglicherweise nicht erreicht.

Die entscheidenden Merkmale einer integrierten Bibliothekslösung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Erhöhte Entwicklungs-Effizienz,
  • Kürzere Designzyklen mit weniger von Bibliotheken und Komponenten verursachten Design-Iterationen,
  • Höhere Produktqualität durch freigegebene Anbieter und Bauteile, reduzierte Lagerhaltungskosten und Einführung neuer Bauteile,
  • Allgemeine Qualitätssteigerung der Bibliothek führt später zu weniger Problemen,
  • Senkung der Kosten und des Aufwands im Zusammenhang mit der Infrastruktur.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Altium den Altium Vault eingeführt und weiterentwickelt. Mit dedizierter Zugangskontrolle und Anwender-Authentifizierung hält der Vault Datenbestände mit sämtlichen Attributen bereit, die vom ECAD/MCAD-Flow benötigt werden. Eingeschlossen sind die komplette Revisionskontrolle und das Lifecycle Management sowohl für zugekaufte Objekte (d. h. Komponenten) als auch für angefertigte Baugruppen. Eine Organisation, die den Vault nutzt, erhält damit im Prinzip einen eigenen Bauteilkatalog, aus dem gewählt werden kann – ausgerichtet an den eigenen Prioritäten und mit Zugriff auf Daten aus der Lieferkette.

Bauteillisten und Stücklisten werden in Echtzeit auf etwaige historische oder erwartete Probleme abgesucht, wobei die entsprechenden Bauteile aufgelistet werden. Die Freigabe erfolgt erst, wenn alle Probleme behoben sind. Der Vault bündelt alle erwarteten und benötigten Informationen ohne Daten-Redundanzen in einem System und unterstützt das schnelle Suchen von Komponenten mit integrierten Zuliefer-Informationen. Geografisch weit verteilte Anwender haben per Intranet Zugriff auf einen zentralen Datenbestand, und die Entwicklung profitiert von der Verfügbarkeit konsistenter Daten vom Designprozess bis zur Leiterplattenfertigung.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf dem Portal unserer Schwesternmarke ELEKTRONIKPRAXIS.

* Robert Huxel, ist Technical Marketing Manager EMEA bei Altium.

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