Virtual Engineering

Die Virtualisierung der Produktentstehung realitätsnah gestalten

Virtual Prototyping ist heute ein fester Bestandteil im Produktentstehungsprozess. Beim Virtual Prototyping wird ein Rechnermodell von dem in Entwicklung befindlichen Objekt gebildet und anschließend wie ein realer Prototyp analysiert. Auf diese Weise können unterschiedliche Varianten eines Produktes virtuell erstellt und untersucht werden, ohne das ein realer Prototyp gebaut werden muss. Das reduziert Zeit und Kosten in der Produktentwicklung und erhöht die Qualität des Produktes.

Schlüsseltechnologien für das Virtual Prototyping sind Virtual Reality (VR), Augmented Reality (AR) sowie Simulation. VR und AR sind zur Präsentation des virtuellen Prototypen notwendig. Mit Simulationen erhalten diese ein realistisches Verhalten. Aber auch die digitale Bildverarbeitung und die Visualisierung tragen dazu bei, dass der virtuelle Prototyp immer realistischer wird. Zukünftiges Ziel ist, dass dieser sich nicht mehr von realen Prototypen unterscheidet.

Wir untersuchen im zweiten und dritten Zyklus des Produktentstehungsprozesses, wie die Technologien Virtual und Augmented Reality in Verbindung mit diskreten bzw. kontinuierlichen Simulationsverfahren zur realistischen Visualisierung und Analyse virtueller Prototypen verwendet werden könne.

Virtual Reality (VR)

Kennzeichen von VR ist das interaktive Erleben und Manipulieren komplexer dreidimensionaler Rechnermodelle in Echtzeit. Bei der technischen Realisierung eines VR-Systems sind zwei Aspekte besonders wichtig: Die Darstellung großer und komplexer 3D-Modelle in Echtzeit sowie Technologien und Geräte zur immersiven Präsentation und Interaktion auf mehreren Wahrnehmungsebenen. Zur Präsentation werden heute großflächige Projektionen, so genannte Powerwalls verwendet. Zusammen mit modernen Tonanlagen und Interaktionsgeräten, wie z.B. dem Datenhandschuh ermöglichen sie eine interaktive und eingängige Analyse des virtuellen Prototypen.

VR ist in der Produktentwicklung inzwischen fest etabliert. Mit VR können zum Beispiel Designstudien, in so genannten Design Reviews, zu einem frühen Zeitpunkt im Maßstab 1:1 visualisiert und von den Ingenieuren begutachtet werden. In der Forschung werden heute VR-Anwendungen entwickelt, die neben der Gestalt noch weitere Aspekte, wie z.B. das Verhalten visualisieren. Ein Beispiel ist der in der Fachgruppe entwickelte Virtual Nightdrive, eine VR-Anwendung für die Analyse der Lichtverteilung neuer Scheinwerfer. Die Lichtverteilung von Scheinwerfern wird durch einen komplexen Datensatz beschrieben, dessen Analyse aufwändig ist. Der Virtual Nightdrive visualisiert diesen Datensatz in einer Virtual Reality-Anwendung. Der Anwender sitzt in einem Fahrzeug vor einer Powerwall und fährt auf einer virtuellen Teststrecke. Die Lichtverteilung des Scheinwerfers wird in Echtzeit auf eine virtuelle Straße projiziert. Zu Analyse fährt der Anwender die virtuelle Teststrecke ab und begutachtet beispielsweise, ob die Straße durch den Scheinwerfer ausreichend beleuchtet wird.

Interaktive Analyse mechatronischer Systeme an einer Powerwall
Nachtfahrsimulation im HD-Visualisierungscenter

Augmented Reality (AR)

AR - „angereicherte Realität“ - wird als Kombination der realen Welt mit computergenerierten Informationen verstanden. Dies können Texte, 3D-Grafiken oder Annotationen sein, die im Sichtfeld des Anwenders eingeblendet werden. Dazu sind spezielle Sichtgeräte erforderlich. Ein oft verwendetes Sichtgerät ist das Head Mounted Display (HMD), ein Helm oder brillenartiges System, in das die computergenerierten Informationen eingeblendet werden.

Im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 614 wird die Technologie für das Augmented Prototyping eingesetzt: Das Verhalten moderner selbstoptimierender Systeme ist zu komplex, als das die Ingenieure es ohne rechnergestützte Hilfsmittel intuitiv erfassen können. Mit Hilfe von AR werden dem Entwickler, parallel zur Sicht auf das reale selbstoptimierende System, zusätzliche Informationen in das Blickfeld eingespielt. Dies sind Informationen zum Systemzustand, zu Zustandswechseln oder Grenzen des erlaubten Systemverhaltens. So wird eine intuitive und eingängige Analyse des selbstoptimierenden Systems ermöglicht.

Integration von Echtzeit-Simulationen in VR- und AR-Anwendungen

Simulationen sind heute integraler Bestandteil eines virtuellen Prototypen. Sie berechnen das Verhalten und ermöglichen dadurch erst die realistische Abbildung des späteren Produktes im Rechner. Mit VR und AR ist eine interaktive Analyse der Simulation in Echtzeit möglich. Dies erleichtert das Verständnis.

Die Integration unterschiedlicher Simulationen in VR- und AR-Anwendungen erfordert unterschiedliche Verfahren. Grundlegend bilden diskrete Simulationsverfahren z.B. für die Analyse des Materialflusses in einer Fertigungsanlage und kontinuierliche Simulationsverfahren für die Analyse des Verhaltens eines Mehrkörpersystems. Die Entwicklung geeigneter Verfahren ist ein Arbeitsgebiet des Fachgebiets Produktentstehung.

Vorn ein reales RailCab, dahinter zwei simulierte RailCabs
Die rote Markierung verdeutlicht eine drohende Kollision

Unsere Kompetenzen und Leistungen

  • Ermittlung der Einsatzmöglichkeiten von Virtual Prototyping und Simulation im Produktentstehungsprozess (VPS Quickcheck)
  • Konzeption und prototypische Realisierung von VR/AR Anwendungen für den Einsatz in: Produkt-/ Prozessentwicklung, Marketing/ Vertrieb, Aus-/ Weiterbildung
  • Entwicklung neuer Methoden und Werkzeuge für die VR/AR Basistechnologien, wie z. B. Rendering, Tracking, Datenanalyse, Datenverwaltung, Interpretation von Simulationsprozessen


Wir betreiben mit weiteren Partnern das Internet-Fachportal:
www.viprosim.de