home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Power Tools 1993 November - Disc 2 / Power Tools Plus (Disc 2 of 2)(November 1993)(HP).iso / hotlines / wsyhl / solidmod / solidmod.txt
Text File  |  1993-10-04  |  26KB  |  466 lines

  1.  submit   SOLIDMOD (NewWave Write)
  2.  
  3.  
  4.  
  5.           Solid Modeling at Hewlett Packard: Methods & Benefits
  6.  
  7.                                     by
  8.                                 Peter Zivkov
  9.                            Corporate Engineering
  10.                                Hewlett Packard
  11.  
  12.                                  May 20 1992
  13.  
  14.         * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
  15.         * Please note that Peter's primary responsibility is to *
  16.         * improve HP's INTERNAL engineering productivity.  This *
  17.         * includes supporting HP's 2000 ME CAD users, so he     *
  18.         * does not have time to respond to requests from the    *
  19.         * field.  Instead, the field should continue to use the *
  20.         * HP divisions' sales centers for information.          *
  21.         *                                                       *
  22.         * Thank you, -Sue Perry, WSBU ME Market Segment Manager *
  23.         * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *
  24.  
  25.  
  26. Abstract:
  27.  
  28. HP has successfully employed solid modeling & CAD/CAM technology on a broad
  29. scale for its product development. By taking advantage of its own workstation
  30. and CAD technology and overcoming some of the limitations of 3d solids with
  31. innovative engineering processes, HP has been able to develop new products of
  32. higher quality, at lower cost, in about half of the traditional time.
  33. This article describes the methods of use and benefits of solid modeling which
  34. have helped HP to improve its own mechanical engineering productivity.
  35.  
  36. ----
  37. MECHANICAL ENGINEERING AT HP TODAY
  38.  
  39. Hewlett Packard is a leading producer of engineering workstations and
  40. MCAE tools for mechanical engineering. Because of this, HP's own product
  41. development efforts rely heavily on the effective use of solid modeling
  42. technology. Through the use of solids, HP has been able to develop its new
  43. products of higher quality, at lower cost, in a shorter time than ever
  44. before.
  45.  
  46. There are about 2000 ME CAD seats installed at Hewlett Packard. Three
  47. quarters of these seats are HP's ME30 solid modeling systems, while the rest
  48. are HP's ME10 2D drafting systems. These systems and the people using them
  49. are distributed over more than 70 sites world-wide. All of them are linked
  50. through HP Internet, one of the world's largest privately-operated
  51. computer networks.
  52.  
  53. Since most of its divisions have to share and exchange engineering data
  54. to develop new products, HP has chosen ME10 and ME30 as a standard CAD tool
  55. across the company.  As we'll see later, this was an important first step
  56. in attaining benefits from the use of solid modeling in downstream
  57. processes like drafting, analysis, and manufacturing. The benefits described
  58. below have been an important factor in improving HP's competitiveness and
  59. time to market capability.
  60.  
  61. During the last 5 years, HP has been making some significant and very important
  62. transitions:
  63.  - from paper-based information to electronic information & processes
  64.  - from serial to concurrent engineering practices
  65.  - from hardware prototypes to software models and tools
  66.  - from paper and pencils to engineering workstations
  67.  - from individual productivity efforts to automating the workgroup
  68.  
  69. These changes are by no means complete, but there have been enormous
  70. improvements in HP's mechanical engineering process during the last few
  71. years. Let's now look at the product development cycle and see how HP takes
  72. advantage of solids during each phase of product development...
  73.  
  74. DESIGN
  75.  
  76. More than two thirds of HP's new design data is being created using our
  77. ME30 solid modeling systems. This is an unusually high percentage for any
  78. company, let alone for a company of HP's size.  How did HP get to this point?
  79. Here are some of the reasons HP was able to adopt solids so successfully:
  80.  
  81. Standard design tools
  82. HP engineers & managers consciously chose to standardize on one 2d and 3d
  83. design tool, HP's ME10 and ME30, for every one of HP's divisions. Without
  84. this early decision, it would have been impossible to take full advantage
  85. of solids in design or to integrate other computer tools, like FEA or CAM,
  86. in a uniform way across the entire corporation.
  87.  
  88. Interactivity and visualization
  89. In addition to the use of a standard solid modeling tool for the entire
  90. company, HP has also employed the use of graphics accelerator hardware to
  91. quickly display even very complex solid models allowing engineers to
  92. work constantly with a complete shaded 3d model, making visualization
  93. and design much more intuitive and productive. Figure 1 show a typical
  94. example of ME30 and the kind of models one can see at HP. The result of
  95. using 3d models is an immediate understanding of the design by all
  96. people on the product development team (even managers!). With 3d shaded solids,
  97. the design engineer can quickly understand a new design, identify errors,
  98. and improve the quality of the design by merely altering the computer model.
  99. Better engineering tools, like solid modeling, simplify communication
  100. among the product development team on large or complex projects.
  101. Some of the projects which are currently underway at HP today could not
  102. be conceived or attempted without the successful use of solid modeling.
  103.  
  104. Figure 1. Example of an ME30 solid model of a microcircuit package assembly
  105.  
  106. Reduction in drafting effort
  107. A key factor in the acceptance of solid modeling at HP has been the reduction,
  108. or in some cases elimination, of traditional 2d orthographic documentation
  109. (shown in Figure 2).  In many cases, HP engineers can have prototype parts and
  110. tooling made directly from the solid model. This is an important advantage
  111. for solids since drafting (adding dimensions, tolerances and notes) usually
  112. requires as much effort as initial design (defining a part's 2d or 3d shape).
  113. This also means that complete 2d documentation is only done once at the end
  114. of the project when the part design has matured and is ready for release to
  115. manufacturing.  An example of a simple 2d cover sheet which would be sent to
  116. a manufacturer with the 3d model in lieu of a traditional blueprint is shown
  117. in Figure 3. This cover sheet conveys all the important information (critical
  118. tolerances, material type, finish, etc.) which is not included in the 3d
  119. geometry model. Once a 3d model of the part exists, generating the cover
  120. sheet drawing is a fast and easy process for the design engineer.
  121.  
  122. Figure 2. Traditional 2d orthographic documentation for a machined part
  123.  
  124. Completeness and ability to re-use design data
  125. Unlike 2d CAD drawings, 3d models are unambiguous and precise.
  126. For this reason, they can be easily re-used for downstream processes. HP
  127. engineers frequently re-use 3d models from other design teams or even
  128. other HP divisions in order to reduce development effort. Using solids,
  129. we create complete 3d models of entire products, eliminating
  130. the need for a physical prototype of a conceptual or initial design. Using
  131. electronic 3d data, distributed computing and networking allows distant
  132. development teams (in Colorado, Massachusetts and California for example)
  133. to communicate as if they were co-located. Our philosophy at HP is that
  134. design data should be created once and re-used as it moves from department
  135. to department, person to person, or tool to tool. We've found that 3d models
  136. created with an easily customizable CAD system like ME30, can be linked to
  137. many other tools and processes by using both standard (IGES, DXF) and
  138. custom applications or translators.
  139.  
  140. Figure 3. HP's simplified documentation for the part shown in Figure 2.
  141. This drawing and the 3d CAD model it was generated from are used to
  142. manufacture parts directly from the ME30 solid model.
  143.  
  144. Design Summary
  145. At HP we've found that proper use of solid modeling during design has
  146. yielded the following benefits:
  147.  
  148. - Improved product design quality
  149. - Faster product development
  150. - Fewer physical prototypes during development
  151. - Improved team communication among the development team
  152. - More creativity and innovation
  153.  
  154. ANALYSIS AND SIMULATION
  155.  
  156. Solids modeling is a very simple form of simulation. Through its use, HP
  157. engineers can predict the ease of assembly or identify potential interference
  158. problems between parts in a complex assembly. We are usually interested in
  159. in more than just simulating geometry; our goal is to predict product
  160. performance with additional analysis and simulation tools.
  161.  
  162. As with CAD, HP has tried to selectively limit the number of analysis tools
  163. down to a manageable few. This makes training, leverage and integration with
  164. CAD much easier. For now, HP's internal users have chosen to use:
  165.  
  166.  - Flotherm from Flomerics, which is a computational fluid dynamics
  167.    package for predicting the flow and temperature of air
  168.    through an electronics enclosure. Flotherm is not yet linked with
  169.    CAD, but we are planning to establish this link in the near future.
  170.    Seven HP divisions are currently using Flotherm. Figure 4 shows a
  171.    sample of results from Flotherm.
  172.  
  173. Figure 4. Flotherm results predicting airfow (velocity and direction)
  174.           and air temperature in a 3d analysis model of an instrument
  175.  
  176.  - VSA from Applied Computer Solutions, which is a tolerance analysis tool for
  177.    assemblies that can simulate the build-up of many assemblies, then identify
  178.    the amount of variation that will occur and flag the main contributors
  179.    to critical assembly tolerances. Data from ME30 is passed to VSA through
  180.    the IGES interface.  At this time, eight of HP's product divisions are
  181.    using VSA.
  182.  
  183.  - Rasna's Applied Structure, which is a structural analysis and shape
  184.    optimization program aimed at engineers rather than full-time analysts.
  185.    ME30 surface data is currently passed to Applied Structure using IGES files.
  186.    One division of HP is currently the primary test and benchmarking site
  187.    for the company as a whole.
  188.  
  189. These analysis tools are currently being used at a minority of HP divisions,
  190. but our goal is to improve their integration with CAD, and make these tools
  191. far easier to use, so that we can take greater advantage of simulation rather
  192. than building and testing physical prototypes during early design.
  193.  
  194. In addition to these tools, HP has also developed some proprietary Design
  195. For Manufacturing (DFM) and cost analysis tools based on ME30 which are very
  196. useful for commonly used manufacturing processes within the company. These
  197. tools help guide engineers by identifying design features which are difficult
  198. or expensive to manufacture and by predicting the total manufacturing cost
  199. of a given 3d solid model.
  200.  
  201. At HP, we've found it more difficult to implement analysis tools than 3d CAD,
  202. but the benefits from analysis tools can be important factors in
  203. reducing the development time of new products. In summary, here are some
  204. of those benefits:
  205.  
  206.  - More design iterations through the use of software models
  207.  - Reduced need for expensive hardware prototypes
  208.  - Better product design quality and reliability
  209.  - Improved engineering confidence during development
  210.  - Avoidance of warranty costs after product release
  211.  
  212. PROTOTYPING
  213.  
  214. Along with the reduction of drafting in design, effective use of prototyping
  215. has been a major component in HP's drive to improve its mechanical engineering
  216. process. HP's internal users have again chosen a small set of standard CAM
  217. tools which are very closely integrated with our 3d CAD environment. HP is
  218. currently using the following CAM software at more than 30 divisional
  219. manufacturing sites:
  220.  
  221.  - ME30 CAM, an internally-developed ME30-based program for doing fast
  222.    and simple machining on manual milling machines which have been
  223.    retrofitted with 2 axis Anilam controllers.
  224.  
  225.  - A customized version of Cimcam from Cimlinc for 2.5 axis NC machining.
  226.    This is used for more complex machining jobs and includes both milling
  227.    and turning capability for a wide variety of NC machines.
  228.  
  229.  - Merry Mechanization's SMP-81 for flat pattern layout, punching and
  230.    forming of sheet metal parts.
  231.  
  232.  - ME30's stereolithography module for links to desk-top manufacturing.
  233.  
  234. All of these software tools have been customized to link closely and
  235. easily with 3d models from ME30 without traditional 2d drawings. In fact,
  236. ME30 systems are used on the shop floor to receive the engineering data,
  237. visualize and understand the part to be made, and to select and convert
  238. portions of the 3d CAD data into the format required for the CAM process.
  239. This has lead to high technology HP shops where visitors can see machinists
  240. using their CAD systems to interactively rotate, slice or modify 3d models in
  241. order to prepare the designer's data for the NC process.
  242.  
  243. Typical Prototyping Process
  244. A design packet (including a 3d model and simple 2d cover sheet drawing)
  245. is sent electronically by the designer to one or several
  246. internal manufacturing sites with the pick of a button from the ME30 screen.
  247. The designer is prompted for any other shop-specific information, and the
  248. data is sent to the shop through the HP-Internet transparently. E-mail
  249. messages confirming the delivery are sent to the shop, the engineer, and
  250. anyone else who needs to know (managers or production buyers).
  251. The incoming order and a picture of the part is automatically printed
  252. on a laser printer which signals the shop to begin making the part.
  253. A model maker reviews the design in the ME30 system and pulls out the
  254. data needed to make the part. If there are questions, the model maker and
  255. the engineer can share the same X11 window on each of their workstations while
  256. talking over the phone to discuss the design. The model maker then converts
  257. the design data to the needed manufacturing format and loads it into the
  258. CAM system to define the detailed processes which will be used to make the
  259. part.
  260.  
  261. Using the engineer's 3d model to drive the manufacturing process has
  262. been a key factor in sharply cutting the cost and time required to
  263. manufacture high-quality parts. In summary, these are the benefits
  264. we've seen at HP:
  265.  
  266.  - Prototypes can be made in less than one half the time compared to our
  267.    previous NC process which depended on 2d CAD drawings and manual
  268.    programming. Even very complex designs, like the one shown in Figure 5,
  269.    can now be transmitted through the network, translated into the
  270.    CAM system for NC programming and manufactured in just a few days.
  271.  
  272. Figure 5. This sheet metal part was designed in Waltham MA. and was manufacured
  273. in Santa Rosa CA. in 3 days
  274.  
  275.  - Improved part quality is attained, since the engineer's design data defines
  276.    both the part geometry and the manufacturing process. There are
  277.    no longer questions about missing dimensions or geometry from a 2d
  278. blueprint.
  279.    Prototype parts are now expected to fit the first time without any re-work.
  280.  - Time savings due to reuse of the 3d model to design tooling or fixturing
  281.    required for manufacturing of the part. This is true for all types of
  282.    parts including diecast or molded parts. Some new prototyping methods,
  283.    like stereolithography, are only possible when a solid model of the
  284.    desired part is available.
  285.  - Better and more frequent communication between designer and manufacturer
  286.    is now possible since they both have the same tools and relatively more
  287.    time to discuss design for manufacturability.
  288.  
  289. Most of the prototyping methods discussed so far also apply to external
  290. shops which HP uses for some prototyping and volume manufacturing. HP has
  291. teamed up with suppliers which are capable and motivated to work with
  292. 3d CAD data and limited 2d documentation. HP engineers can now send CAD
  293. data electronically to a variety of external suppliers through high speed
  294. modems or e-mail links using the same ME30 interface that is used for
  295. internal manufacturing sites.
  296.  
  297. RELEASE TO MANUFACTURING
  298.  
  299. Each HP division has a Manufacturing Specs organization which manages and
  300. archives engineering data after the product design is finished. At HP this
  301. group has the same CAD capability and equipment that is found in the R&D lab.
  302. As the CAD data is released from design to manufacturing, this organization
  303. updates and maintains both the 3d CAD models and the 2d drawings which are both
  304. archived for future use. In some cases traditional 2d documentation is created
  305. at the end of a development project if a long-term supplier requires
  306. traditional
  307. documentation. But in many cases the simplified 2d cover sheet is
  308. the only drawing that is archived and maintained with the 3d model through
  309. the entire life of the product. Having the same 3d CAD environment for both
  310. R&D and Manufacturing has improved communication and has helped to
  311. break down some of the differences that previously existed between the people
  312. in those organizations.
  313.  
  314. An important tool and methodology HP has been employing during product release
  315. is called Product Data Management. PDM is a company-wide data base management
  316. tool which is a custom version of HP's commercially available WorkManager
  317. product. PDM is used to collect and manage all important electronic information
  318. that is created during product development. It is used as a central pool of
  319. data that can be accessed and shared by anyone within the company. Currently,
  320. PDM is primarily being used by the Manufacturing Specs community at more than
  321. 20 HP sites to collect, control, and distribute all types of engineering data
  322. at each HP site. However, in the near future, PDM will play an increasingly
  323. more important role in linking people at many distant HP sites who are all
  324. working on a distributed product development team.
  325.  
  326. In the past, drafters or engineers spent a great deal of time creating complex
  327. isometric assembly drawings to illustrate how to put a product together,
  328. take it apart or how to service it in the field. With the adoption of solid
  329. modeling, creating this type of drawing from an existing 3d model of a product
  330. is very easy and is now frequently done to create illustrations for HP's
  331. technical documentation or a product's service manuals.
  332.  
  333. All of these boil down to an improved release process which is now more
  334. continuous and error-free resulting in faster and less costly product
  335. delivery for HP.
  336.  
  337. "HIDDEN" BENEFITS TO USING SOLIDS
  338.  
  339. So far we've reviewed the positive impact of solid modeling has had on product
  340. development and the engineering process. Now we'll look at some of the
  341. effects that the technology has had on the people involved in using it.
  342.  
  343. Creativity and Innovation
  344. Because engineers are now working with computer models rather than physical
  345. hardware, they are more likely to experiment and try new ideas. This has
  346. allowed HP's ME CAD users to work more creatively and apply new innovation
  347. to problem solving.
  348.  
  349. Teamwork
  350. Improved teamwork has already been mentioned, but it should
  351. be highlighted as a significant advantage. Solids modeling offers a new
  352. way to communicate designs through realistic and often-times
  353. beautiful pictures of complex engineering models. These pictures, and the
  354. real-time animation that is possible with ME30, allow everyone to understand
  355. the design and are a good catalyst for getting people to discuss the
  356. product design.
  357.  
  358. Morale
  359. HP's has been very successful in using MCAE technologies. Many HP people are
  360. very proud of the improvements we've been able to make in mechanical
  361. engineering environment over the last 5 years. This progress has fostered
  362. an unprecedented sense of confidence, morale and enthusiasm in HP's ME
  363. community. With this success has come more respect and even some admiration
  364. from HP's EE and software development communities about the effectiveness
  365. and productivity of HP's mechanical engineers. For many people it is simply
  366. fun and enjoyable to work in today's dynamic high-technology environment at HP.
  367.  
  368. Visionary Thinking
  369. Even with all the changes that have occurred at HP, our people are still asking
  370. for further improvements. Why? Because they can envision an even better
  371. work environment in the near future. One which allows us to work more
  372. productively and creatively. Their expectation is to take full advantage
  373. of emerging technologies in order to make their work easier and more
  374. interesting as well as to develop even better new products at a lower cost,
  375. in a minimum amount of time.
  376.  
  377. HP's VISION FOR BETTER MECHANICAL ENGINEERING
  378.  
  379. Traditional product development is a serial process which is highly dependent
  380. on hardware (physical prototypes) and paper based information like drawings
  381. and material lists. Normally, each step must be completed
  382. before the next can begin.  To communicate a design solution, it must be
  383. fully documented as a 2d drawing so that others can understand it in order
  384. to build or test a new part or assembly.  Only after a product has been built
  385. can we see if the original design needs have been met. Traditionally, 3 to 4
  386. costly and time-consuming prototypes were built and tested in order to
  387. develop a robust design.
  388.  
  389. Figure 4. The traditional and HP's improved ME development process
  390.  
  391. HP's new product development is a concurrent process which is highly dependent
  392. on the integration of software tools and the easy flow of electronic
  393. information between many people as it goes through this process. Today, we
  394. use computer design and simulation tools to predict the performance of a
  395. new design without spending money on many physical prototypes. This way, a
  396. design engineer can make many improvements and design iterations on
  397. the computer model without committing to these changes in an expensive
  398. hardware prototype. Periodically, a rapid prototyping cycle is used to
  399. verify the design and simulation models and to test the manufacturing process.
  400. Only when the design is complete is any traditional 2d documentation created.
  401. Drafting, which used to be the major activity in the old process, has been
  402. taken out of the critical path and has now become a one-time or optional
  403. last step in design before data is released to manufacturing.
  404.  
  405. In the past, we had very specific tools for each serial step in the development
  406. process. Today we have a small number of computer tools which are
  407. used from start to finish by all people working on a development team.
  408. At HP these tools are ME30 for solid modeling, networking and the X11
  409. window interface for providing communication and access to others, and data
  410. management tools like PDM to allow the sharing of the data that is
  411. generated during product development.
  412.  
  413. In 1990 some of HP's leading engineers developed a 3-year vision of
  414. HP's mechanical engineering work environment. The vision was communicated,
  415. accepted and supported by engineers and managers throughout the company.
  416. This vision was meant to be achievable but also very challenging in order
  417. to stimulate everyone in the company to improve our ME tools and processes.
  418. Here is list of goals that define HP's vision for the next 3 to 5 years:
  419.  
  420. 1991 Goals:
  421.  - Design all new products using 3d solids
  422.  - Attain prototyping capability from 3d models without traditional 2d drawings
  423.  - Achieve commonplace use of stereolithography and desktop manufacturing
  424.  - Begin the use of selected ME analysis and simulation tools
  425.  - Release solid models to Manufacturing Specs
  426.  
  427. 1992 Goals:
  428.  - Tightly link ME and EE design systems and processes
  429.  - Select and use standard tools for ME analysis and simulation
  430.  - Achieve company-wide use of Product Data Management
  431.  - Provide a corporate library of 3d models for design re-use
  432.  - Improve integration between ME design and manufacturing information systems
  433.  - Establish links between computer aided inspection and CAD/CAM
  434.  
  435. 1993 Goals:
  436.  - Provide all important engineering information on-line
  437.  - Establish paperless processes and information flows
  438.  - Link design, manufacturing and procurement systems into one work environment
  439.  
  440. As a whole, HP has done very well in reaching our own goals for 1991. Here is
  441. a review of how we did at the end of 1991 (from a mini-survey of 26 HP
  442. divisions):
  443.  
  444.  - 75% of new design was created using 3d, a big increase from the previous
  445.    year when only 35% of new design had been created using 3d solids.
  446.  - More than 90% of HP divisions have manufactured parts without traditional
  447.    2d drawings. Almost all divisions send data to manufacturing electronically.
  448.  - About half of HP divisions have tried the stereolithography process.
  449.  - More than 70% of HP divisions are using some ME analysis tools.
  450.  - Roughly 60% of HP divisions have released solid models to manufacturing.
  451.  
  452. Obviously, there is a lot to be proud of in these achievements. However, 1992
  453. is almost half over, and there is still a lot work to be done in the near
  454. future to reach the remaining vision goals.
  455.  
  456. CONCLUSIONS
  457.  
  458. By sponsoring and guiding comprehensive changes in its MCAE environment, HP
  459. has significantly improved its own product development processes. By taking
  460. advantage of solid modeling, improving CAD integration, and using networking,
  461. data management and ME simulation technologies, HP has been able to double
  462. its mechanical engineering productivity. These efforts have resulted in better
  463. quality products, faster product delivery and lower development costs. These
  464. results and a clear future vision demonstrate that HP is a world leader in
  465. the use of solid modeling for mechanical engineering.
  466.