Virtuelle und hybride Prototypen in kooperativen Arbeitsumgebungen

Abstract

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.

Simulations are playing a more and more important role in product development today, but the way they are carried out is often cumbersome and time consuming. Grid generation as well as definition of boundary conditions often need a lot of manual interaction. Simulations are started manually through batch scripts on simulation clusters and simulation results have to be transferred back by hand to the local workstation for post processing the other day. Of-ten simulation results need to be discarded and only a few characteristic numbers or 2D Cuts are extracted due to lack of post processing capabilities. Product development is an interdisciplinary process requiring expert knowledge from various domains in the different development phases. Virtual environments are well suited to support communication between these experts. Collaborative virtual environments allow leveraging on these benefits also in distributed teams. This is helpful not only in large, globally operating companies but also for small suppliers or engineering companies which can communicate better with their business partners. By integrating all processing steps from geometry generation, grid generation, domain de-composition over simulation to post-processing in a seamless manner and by providing intuitive interfaces and a collaborative working environment, engineering groups are able to optimize their products much faster, more accurate and without special knowledge in parallel simulations. Simulations have to be verified and not all aspects of a product can be simulated thus physical prototypes are still needed in various places throughout the development process. By using Mixed Reality techniques the virtual and the real prototypes can be combined to so called hybrid prototypes. This work focuses on a novel concept for a modular visualization system which supports very flexible integration of simulations and lays base for parallel post processing. Design of a plugin system and interaction methods for a collaborative Virtual Reality system. Realization of virtual prototypes by integrating simulations in the visualization pipeline and providing intuitive access from virtual environments. Augmented Reality for visualization of simulation results in order to extend the virtual proto-types to hybrid prototypes. Collaboration between augmented and virtual environments. The main advantages of the newly designed visualization system are that modules are not restricted to a specific compute cycle but they can generate objects any time. Time and block structures are handled independently of the object structure and thus can automatically be serialized or parallelized depending on available hardware infrastructure. It further supports easy creation of scripted user interfaces and the integration of interactive pre-processing ap-plications with their own user interface. The virtual reality subsystem has been extended to support parallel rendering clusters, a plugin system has been designed which allows easy extension of the system for application areas other than CFD analysis and which eases the development of interactors for simulation and visualization modules. A new interaction concept now manages multiple local Plugins and also handles concurrent interaction in collaborative working modes. Throughout the work, different user interfaces from 3D immersive over 2D GUIs on mobile devices up to tangible interfaces have been designed, implemented and evaluated. In order do integrate in-teractive simulations in the processing chain different coupling strategies are discussed and all other processing steps such as grid generation and domain decomposition are described. This allows one to create virtual prototypes for a functional evaluation of the future product. The concept of hybrid prototypes is introduced and the required components and their implementation are described and how the same techniques can be used to create intuitive user interfaces. Finally, a number of applications have been developed and evaluated which show how inter-active simulations and Mixed Reality can be applied to a variety of different application fields, ranging from automotive engineering over water turbine design to architectural evaluation of buildings.