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Virtuelle und hybride Prototypen in kooperativen Arbeitsumgebungen
(2009) Wössner, Uwe; Resch, Michael (Prof. Dr.-Ing)
Derzeit sieht der Einsatz von Simulationen in der Produktentwicklung häufig wie folgt aus: Ein Konstrukteur erstellt die einzelnen Bauteile ausgehend von ähnlichen früheren Produkten und dimensioniert sie anhand einfacher Formeln oder Tabellen. Soll das Produkt mit Hilfe numerischer Simulationen optimiert werden, wird die Konstruktion an eine andere Abteilung oder ein externes Ingenieurbüro übergeben. Dort werden die CAD Konstruktionen konvertiert, Berechnungsgitter erstellt und die Simulation durchgeführt und im Anschluss ausgewer-tet. Dieser Prozess dauert im günstigsten Fall mehrere Tage, bei aufwändigen Simulationen auch mehrere Wochen. Der Konstrukteur bekommt die Ergebnisse der Simulation in Form eines Berichtes mitgeteilt. Aus diesem Bericht werden dann Änderungen der Konstruktion abgeleitet und umgesetzt. Aus Zeit- und Kostengründen werden nur selten mehrere solcher Iterationen durchgeführt. Durch die Integration und Automatisierung der gesamten Prozesskette von der Konstruktion bis zur Auswertung kann der Optimierungsprozess entscheidend beschleunigt werden. Das Erstellen eines Berechnungsgitters, welches bisher für jede Konstruktionsvariante manuell neu durchgeführt werden musste, kann durch Automatisierung in Sekunden geschehen. Dadurch kann die Auflösung der Berechnungsgitter beliebig variiert werden und sehr einfach eine Reihe schneller Optimierungsrechnungen durchgeführt werden, und genau so schnell kann eine fein aufgelöste Simulation zur exakten Bestimmung einzelner Betriebsparameter mit maximaler Genauigkeit aufgesetzt werden. Dadurch, dass jetzt schon in der Konzeptphase oder während der Konstruktion Optimierungen durchgeführt werden können, wird nicht nur der gesamte Entwicklungsprozess beschleunigt, sondern vor allem die Qualität der Produkte verbessert. Durch die Evaluierung der Produkte und ihrer funktionalen Parameter in einer immersiven VR-Umgebung sind einzelne Aspekte, wie z.B. Kollisionen, die räumliche Ausprägung von Strömungsphänomenen oder Sichtbarkeiten besser zu erkennen. Der Hauptvorteil liegt jedoch im Erkennen von Zusammenhängen. Indem komplette virtuelle Prototypen dargestellt werden, können viele verschiedene Aspekte vom Design über Konstruktion und Fertigungstechnik bis zu funktionalen oder betriebswirtschaftlichen Aspekten gleichzeitig beurteilt werden. In der VR-Umgebung können sich mehrere beteiligte Personen gleichzeitig aufhalten und mit dem virtuellen Prototyp arbeiten. Dabei ist die realitätsnahe 3D Darstellung sehr hilfreich um die eigenen Standpunkte fachfremden Kollegen erklären zu können. Vor allem eine einfache und intuitive Interaktion ist dabei unerlässlich, um die Akzeptanz solcher Systeme im realen Einsatz zu steigern. Durch einfache Navigation mit der 3D-Maus in Kombination mit intuitiv zu bedienenden 2D Userinterfaces auf einem Tablet-PC konnten die besten Ergebnisse erzielt werden. Das Konzept der hybriden Prototypen ermöglicht erstmals die Einbeziehung von realen Experimenten, Versuchen und Probeaufbauten in die Auswertung von Simulationsergebnissen und ermöglicht eine noch umfassendere Beurteilung der Prototypen. Ein zweiter wichtiger Anwendungsbereich ist die Verifikation der Simulationsergebnisse. Durch die gemeinsame Darstellung von Simulationsergebnissen, Messwerten und dem aktuellen Experiment können alle drei Aspekte direkt miteinander verglichen werden. Der Blick durch ein HMD bietet eine sehr intuitive Ansicht der Daten, der Benutzer kann sich ganz normal um den Prototyp bewegen. Auch größere Gruppen kommen mit Hilfe einer einfachen Kamera und einem großen Display oder einer Projektion die überlagerte Darstellung beobachten. In nahezu allen Fällen wird durch VR- und AR-Techniken die Kommunikation zwischen den Anwendern gefördert. Sachverhalte werden auch für Nicht-Spezialisten anschaulich und Diskussionen werden versachlicht. Durch die Möglichkeit VR-Umgebungen miteinander zu vernetzen können diese Vorteile auch bei über verschieden Standorte verteilte Entwicklerteams genutzt werden. Bei der Entwicklung der kooperativen Interaktionen wurde darauf geachtet, dass Latenzen effizient versteckt werden und dadurch eine flüssige Interaktion auch beim Verteilten Arbeiten über große Distanzen möglich ist. Insgesamt wurde im Rahmen dieser Arbeit ein System entwickelt, mit dem es möglich ist, virtuelle und hybride Prototypen vollautomatisch zu erstellen und sie dadurch nahtlos in den Entwicklungsprozess zu integrieren. Dadurch können Produkte schnell und schon in sehr frühen Entwicklungsphasen umfassend bewertet und sogar interaktiv optimiert werden. Nur so können auch in Zukunft die immer komplexer werdenden Produkte schnell, kostengünstig und in guter Qualität entwickelt werden.