Bei den Automobilherstellern ist der Einsatz virtueller Techniken in der Produktentwicklung schon seit Jahren gang und gäbe. Weil diese Technologien sich weiterentwickeln, ergeben sich für die Anwender immer neue Einsatzfelder. Die Möglichkeiten gehen mittlerweile über die Fahrsimulation weit hinaus.

Bild: Fraunhofer IPK

Die Automobilbranche war neben dem Flugzeugbau eine der ersten Branchen, in der Techniken der virtuellen Produktentwicklung eingesetzt wurden. Virtuelle Prototypen, Fahrsimulatoren und Co. werden im Automobilbau künftig noch wichtiger werden. Das liegt einerseits an dem anhaltenden Trend zur Ausdifferenzierung, steigenden Variantenzahlen und nicht zuletzt wachsender Komplexität der technischen Systeme. Andererseits bringen technikseitige Entwicklungen weitere Einsatzgebiete Virtueller Techniken hervor: Leistungsfähige Hardware lässt sich auch von Endanwendern einfach bedienen, sodass verschiedene Hersteller schon jetzt auf Virtuelle Realität als Marketinginstrument setzen. Dank immer schnellerer Datenverbindungen werden virtuelle Zusammenarbeit und verteilte Kooperation in globalen Teams einfacher. Auch Training, Dokumentation und Assistenz in der Produktion erfolgen zunehmend virtuell.

Designabsicherung bei Prototypen

Virtuelle Prototypen ermöglichen die frühzeitige Fehlererkennung und senken damit die Kosten potenzieller Fehler und derer Folgen. Fahrzeuge oder einzelne Komponenten werden dazu als digitale Substitute entworfen, die vor oder zeitgleich zu realen Prototypen zum Einsatz kommen und diese zumindest teilweise ersetzen. Dadurch lassen sich die Kosten für das klassische Prototyping senken. Virtuelle Prototypen werden vornehmlich im Styling verschiedener Merkmale von Fahrzeugen genutzt. Bei Premiumherstellern ist beispielsweise die Haptik von Oberflächen, Griffen und Schaltern ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Die Bedienung dieser Elemente wird durch die Hersteller in dieser Hinsicht optimiert. Virtuelle haptische Untersuchungen führen gleichzeitig zu neuen Erkenntnissen für das ergonomische Design von Elementen, beispielsweise indem der Einfluss von Knopfgröße, -gewicht, -form und -materialität auf das jeweilige Bedienverhalten getestet wird. So lässt sich beispielsweise mit einem Heckklappensimulator das Kraft-Weg-Verhalten programmieren. Auch die Akustik unterliegt umfangreichen Designentscheidungen: Viele Hersteller analysieren und optimieren etwa Motorengeräusche oder Schließgeräusche von Türen, Schiebedächern und Klappen, um einen entsprechenden ‘Markensound’ durch Acoustic Engineering zu erreichen. In Großprojektionsanlagen mit 3D-Soundprojektion oder in Hörlaboren werden hierzu realistische Bedingungen geschaffen. Auch die Kontrolle der Einhaltung von Geräuschniveaus ist eine sinnvolle Anwendung.

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Funktionale Absicherung

Um die Funktionstauglichkeit der Fahrzeuge zu optimieren, setzen Hersteller sogenannte Virtual Mock-Ups (VMUs) ein, virtuelle Gesamtmodelle des Fahrzeugs. In einem VMU werden je nach Bedarf verschiedene Planungsgewerke vereint, wie etwa Karosserie, Antriebsstrang oder Elektronik. Diese Modelle bieten sich zur Darstellung in der Virtuellen Realität beispielsweise für Design Reviews auf Power Walls an. Die Bandbreite der möglichen interaktiven Untersuchungen mithilfe von VMUs ist vielfältig: Doppelbelegungen von Bauraum können hier beispielsweise ausgeschlossen werden, Mindestabstände und die Positionierung flexibler Bauteile wie Kabel oder Schläuche können über eine isolierte Darstellung im VMU optimiert werden. VMUs liefern die Grundlagen für Untersuchungen zu Fertigbarkeit oder Baubarkeit (zum Beispiel Montage, Ein-Ausbau-Untersuchungen). Die Wartbarkeit und Reparierbarkeit von Modellen wird in VMUs unter Verwendung digitaler 3D-Menschmodelle analysiert, die auf empirischen Anthropometriedaten beruhen und realitätsnah menschliche Bewegungen simulieren. Eine wichtige Rolle spielen im Automobilbau struktur- und strömungsmechanische Untersuchungen. Ergebnisse der Computersimulationen aus dem Post-Processing der Finite-Elements-Methode (FEM) und der Computational Fluid Dynamics (CFD) werden in der Virtuellen Realität visualisiert und interpretiert. Ergänzend kommt Augmented Reality (AR) bei Vergleichen von Modell und Versuch zum Einsatz. Die vermutlich bekannteste Anwendung Virtueller Techniken im Automobilbau ist die Fahrsimulation. Hier gibt es zahlreiche Möglichkeiten für Automobilhersteller, die Funktionstauglichkeit künftiger Fahrzeuge auf der Basis der virtuellen Prototypen zu testen, beispielsweise im Hinblick auf deren Fahrverhalten oder weitere technische Aspekte wie Lichtsimulation, Fahrzeugakustik und die Fahrwerksauslegung. Neuere Anwendungen der Fahrsimulation betrachten die Car-to-Car- und Car-to-X-Kommunikation sowie Mensch-Maschine-Schnittstellen, Assistenz- und Infotainment-Systeme oder Head-Up-Displays. Bei ergonomischen Untersuchungen wird in Fahrsimulatoren die Erreichbarkeit und Sichtbarkeit von Bedienelementen überprüft.

Bild: Virtalis GmbH

Virtuelle Zertifizierung

Neben den Untersuchungen, die Hersteller im Produktentwicklungsprozess durchführen, lassen sich bereits heute erste TÜV-Abnahmen und Zertifizierungen neuer Modelle im Virtuellen Raum vornehmen. So kann die Prüfung von Radien und Kanten im Außenbereich des Fahrzeugs (nach ECE-R26 der Wirtschaftskommission der Vereinigten Nationen für Europa) virtuell erfolgen. Weiter sind Überprüfungen der Radabdeckungen (Richtlinie EG 78/549) und des Abstands zwischen Kennzeichenschild und Fahrbahn sowie der Neigung (Richtlinie 70/222 EWG) möglich. Ein großer deutscher Automobilhersteller setzt beispielsweise seit 2009 auf diese Methode und sieht auch künftig noch große Potentiale. Verbunden sind Fragen der Dokumentation in der Automobilentwicklung, wo sich 3D-Modelle als zentrale Plattformen anbieten. Über mobile Endgeräte – etwa Kameras oder Sensoren – kann neues Wissen digitalisiert und im Modell ergänzt werden. Wird diese Datenbasis etwa als Werkstattinformationssystem verfügbar gemacht, so bietet sich über Werkzeuge, die auf AR-Technologien basieren, das Einblenden von Anmerkungen und zusätzlichen Informationen an.

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Diese Tools finden in Service, Wartung und Reparatur Service schon heute häufig Anwendung. Wertvolle Vorteile lassen sich auch in der Fertigung und Fertigungsplanung realisieren. So beispielsweise in der Fabrikplanung, die angelehnt an die VDI-Richtlinie 5200 als Prozess mit acht Phasen verstanden wird: Zielfestlegung, Grundlagenermittlung, Konzept und Detailplanung, Realisierungsvorbereitung und überwachung, Hochlaufbetreuung und Projektabschluss. Das Laserscanning etwa ist bei der Grundlagenermittlung in Brown-Field-Projekten besonders nützlich. Dabei werden dreidimensionale Punktewolken etwa der vorhandenen Fabrikanlagen erhoben, die zu 3D-Modellen und VMUs weiterverarbeitet werden können. In der Phase der Konzeptplanung sorgen virtuelle Begehungen für eine bessere Bewertbarkeit verschiedener Planungsvarianten. Auch in der Detailplanung sind virtuelle Techniken hilfreich, wenn sie zur Absicherung von Fördertechnik, Montage, Automatisierungstechnik und Fertigungsverfahren durch Visualisierung und Simulation genutzt werden. Die Validierung der Arbeitsschutzplanung und die Vorbereitung des Hochlaufs durch virtuelle Inbetriebnahme sind weitere Anwendungsmöglichkeiten.

Virtuelles Training

Der Autor Dr.-Ing. Christoph Runde ist Geschäftsführer des Virtual Dimension Center (VDC).

Virtuelles Training ist im Bereich der Produktion insbesondere für Werker und Servicepersonal hilfreich. Diese können in spezifischen Arbeitssequenzen geschult werden, die über Virtual-Reality-Systeme dargestellt werden. Der Trainingseffekt lässt sich mit immersiven Systemen gegenüber anderen digitalen Trainingsmethoden verbessern. Als Assistenzsysteme in der Produktion werden Smart Glasses, Smart Watches und Tablet-PCs immer beliebter. Sie unterstützen durch die ortsrichtige Anzeige von Arbeitsfolgen und Werkzeugen. Bei Montagen und Inspektionen finden Laser-Aufprojektionen Anwendung. Nicht zuletzt lassen sich in vielen Teilaufgaben der klassischen Marketing-Prozesskette sinnvolle Einsatzmöglichkeiten von VR, 3D-Modellierung und 3D-Visualisierung entdecken: Eyetracking-Untersuchungen in virtuellen Umgebungen, virtuelle Benchmarks mit Wettbewerbsprodukten, die Werbung am Point of Sale, Virtuelle Stores, 3D-Visualisierungen, Web-Konfiguratoren und weitere. Häufig liegt ein großes Potential von 3D-Visualisierung oder Virtueller Realität darin, dass 3D-Daten aus digitalen Prozessketten der Produktentwicklung als Datenlieferanten für das Marketing verwendet werden können.

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