Auf der Überholspur: Wie das virtuelle Automobil ‚auf Touren‘ kommt

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Dr.-Ing. Christoph Runde, Geschäftsführer des Virtual Dimension Center

 

Die Automobilbranche war neben dem Flugzeugbau eine der ersten Branchen, in der Techniken der virtuellen Produktentwicklung eingesetzt wurden. Auch technikseitig gibt es Entwicklungen, die neue Einsatzgebiete virtueller Techniken befördern. Dank immer schnellerer Datenverbindungen werden virtuelle Zusammenarbeit und verteilte Kooperation in globalen Teams einfacher – ebenso Training, Dokumentation oder Assistenz in der Produktion.

Diese Entwicklung wird zudem davon begünstigt, dass leistungsfähige Hardware sich mittlerweile auch von Endanwendern einfach bedienen lässt. Auch hat der Fortschritt im Bereich Hardware einen weiteren Effekt: Aufgrund der geringeren Kosten im Vergleich mit „klassischen“ Virtual-Reality (VR)-Setups eignen sie sich für den Einsatz in kleinen und mittelständischen Unternehmen sowie eigentümergeführten Familienunternehmen, zu denen häufig Automobilzulieferer zählen. Auch hier ist daher künftig ein verstärkter Einsatz von VR zu erwarten.

Virtuelle Modelle als Ersatz für physische Prototypen

Virtuelle Techniken sind ein wertvolles Werkzeug für alle komplexen räumlichen Aufgaben, die sich rein algorithmisch nicht (z.B. Styling) oder nur sehr aufwändig (z.B. Ergonomie) lösen ließen. Grundsätzlich sinnvoll ist ihr Einsatz im Automobilbau beim Virtual Prototyping des Fahrzeugs sowie in den Bereichen Training, Produktion und Marketing. In der Entwicklung liegt der Nutzen virtueller Techniken in der Einsparung physischer Prototypen, einer höheren Planungsqualität und Planungssicherheit, einer Reduzierung der Feedbackschleifen, einer Reduzierung von Fehlern und Fehlerfolgekosten sowie im besseren Kundendialog [1]. Zu diesem Zweck ermöglichen virtuelle Prototypen die frühe Fehlererkennung: Fahrzeuge oder einzelne Komponenten werden als digitale Substitute entworfen, die vor oder zeitgleich zu realen Prototypen zum Einsatz kommen und diese mindestens teilweise ersetzen. Dadurch lassen sich Kosten für das klassische Prototyping senken.

Vorab-Tests für das Design von Fahrzeugteilen

Auch beim Design von Fahrzeugen werden virtuelle Prototypen genutzt, vornehmlich im Styling verschiedener geometrischer Merkmale. Zusätzlich unterliegt die Akustik 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. Auch die Kontrolle der Einhaltung von Geräuschniveaus ist eine sinnvolle Anwendung. In Großprojektionsanlagen mit 3D-Soundprojektion oder in Hörlaboren werden hierzu realistische Bedingungen geschaffen. Wirklichkeitsgetreuer Klang erhöht überdies die Immersion in Fahrsimulatoren oder VR-Umgebungen.

Insbesondere bei Premiumherstellern ist zudem die Haptik von Oberflächen, Griffen und Schaltern ein wichtiges Qualitätsmerkmal – die Bedienung dieser Elemente muss durch entsprechende Verfahren optimiert werden. Virtuelle haptische Untersuchungen führen dabei zu wesentlichen Erkenntnissen für das ergonomische Design von Elementen, beispielsweise indem der Einfluss von Knopfgröße, -gewicht, -form und -materialität auf das jeweilige Bedienverhalten getestet wird. Ein Anwendungsbeispiel ist der Heckklappensimulator des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin. Dieser ermöglicht die Programmierung des Kraft-Weg-Verhaltens (siehe Bild 1).

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Bild 1: Haptischer Heckklappensimulator des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (Bildquelle: Fraunhofer IPK)

 

Konstruktionspläne auf dem Prüfstand

Um die Funktionstauglichkeit der Fahrzeuge zu optimieren, setzen Hersteller sogenannte Virtual Mock-Ups (VMUs), virtuelle Gesamtmodelle des Fahrzeugs, ein (siehe Bild 2). Diese Modelle bieten sich zur Darstellung in der Virtuellen Realität an, beispielsweise für Design Reviews auf Power Walls. In einem VMU werden je nach Bedarf verschiedene Planungsgewerke vereint, wie etwa Karosserie, Antriebsstrang oder Elektronik.

Die Bandbreite der möglichen interaktiven Untersuchungen mithilfe von VMUs ist dabei vielfältig: Doppelbelegungen von Bauraum können beispielsweise ausgeschlossen werden, Mindestabstände und die Positionierung flexibler Bauteile wie Kabel oder Schläuche lassen sich über eine isolierte Darstellung im VMU beurteilen und optimieren. VMUs liefern die Grundlagen für Untersuchungen zu Fertigbarkeit, Baubarkeit (z. B. Montage, Ein-Ausbau-Untersuchungen), Wartbarkeit und Reparierbarkeit. In letzteren beiden Fällen kommen digitale 3D-Menschmodelle zum Einsatz, die auf empirisch erhobenen Daten beruhen und realitätsnah menschliche Bewegungen simulieren (siehe Bild 3). Darüber hinaus spielen struktur- und strömungsmechanische Untersuchungen im Automobilbau eine wichtige Rolle.

Simulation des Fahrverhaltens

Geht es um die Anwendung virtueller Techniken bei der Fahrsimulation, gibt es zahlreiche Möglichkeiten, die Funktionstauglichkeit künftiger Fahrzeuge zu testen, beispielsweise im Hinblick auf deren Fahrverhalten oder der Fahrwerksauslegung. Neuere Anwendungen betrachten auch die Car-to-Car- und Car-to-X-Kommunikation sowie Mensch-Maschine-Schnittstellen, Infotainment-Systeme und Head-Up-Displays. Assistenzsysteme wie etwa Bremsassistenten können ebenfalls eingehend getestet werden.

Zusätzlich werden „weiche“ Aspekte wie das Fahrerverhalten im Rahmen der Fahrsimulation erforscht. So wird bei ergonomischen Untersuchungen die Erreichbarkeit und Sichtbarkeit von Bedienelementen überprüft, unter anderem im Hinblick auf sicherheitsrelevante Kriterien.

Dokumentation und Zertifizierungen auf Basis virtueller Daten

Neben diesen Möglichkeiten im Produktentwicklungsprozess lassen sich bereits heute erste TÜV-Abnahmen und Zertifizierungen neuer Modelle im virtuellen Raum vornehmen.

Eng damit verbunden sind Fragen der Dokumentation: 3D-Modelle bieten sich dazu als zentrale Plattformen an. Über mobile Endgeräte – etwa Kameras oder (3D-)Sensoren – kann neues Wissen digitalisiert und im Modell ergänzt werden.

Mitarbeitertraining über Virtual-Reality-Systeme

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. Beim Training für Wartung, Reparatur und Instandhaltung können Abläufe und Prozesswissen vermittelt und so zum Vermeiden von Beschädigungsgefahren beigetragen werden. Neben den Kosten ist für Unternehmen bei der Fortbildung ihrer Mitarbeiter auch die Reduzierung von Gefahren ein wichtiger Faktor, die beim Einsatz von VR und AR (Augmented Reality) gewährleistet wird.

Auch Smart Glasses, Smart Watches und Tablet-PCs werden als Assistenzsysteme in der Produktion immer beliebter. Sie bieten Werkern im Arbeitsprozess ortsrichtige Anmerkungen und unterstützen durch die Anzeige von Arbeitsfolgen und Werkzeugen. Bei Montagen und Inspektionen finden Laser-Aufprojektionen Anwendung, wie sie beispielsweise das Tablet-System SART von Testia bietet. Die Technik entstammt der Luftfahrt und wird zunehmend auch in anderen Branchen eingesetzt.

Résumé

Virtuelle Techniken sind mittlerweile in der Fahrzeugentwicklung und -herstellung nicht mehr wegzudenken. Doch ihre Wirkung geht weit über diese Bereiche hinaus: Häufig liegt ein großes Potenzial von 3D‑Visualisierung oder Virtueller Realität auch darin, dass 3D-Daten aus digitalen Prozessketten der Produktentwicklung als Datenlieferanten für das Marketing verwendet werden können.

www.vdc-fellbach.de

Das Kompetenzzentrum für Virtuelle Realität und kooperatives Engineering – Virtual Dimension Center (VDC) in Fellbach ist Deutschlands führendes Kompetenznetzwerk für Virtuelles Engineering. Technologielieferanten, Dienstleister, Anwender, Forschungseinrichtungen und Multiplikatoren arbeiten im VDC-Netzwerk entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Das VDC erhielt zahlreiche Auszeichnungen, 2016 unter anderem das European Cluster Management Excellence Label in Gold.

Referenzen

[1]              Bullinger, H.-J.: Virtual Engineering: Neue Wege zu einer schnellen Produktentwicklung. In: Bullinger, H.-J. ; Sonderforschungsbereich Entwicklung und Erprobung Innovativer Produkte – Rapid Prototyping -SFB 374-, Stuttgart: Virtual Engineering und Rapid Prototyping. Innovative Strategiekonzepte und integrierte Systeme: Forschungsforum Sb 374, 27. Februar 2002. Stuttgart: Universität Stuttgart, 2002

[2]              Tasdemir, Rahman: Virtuelle Zertifizierung – Virtual Reality bei Mercedes Benz. In: Daimler-Blog, 27.4.2009, online unter: https://blog.daimler.de/2009/04/27/virtuelle-zertifizierung-virtual-reality-bei-mercdes-benz/, abgerufen am 23.8.2016

Beitragsbild: Virtual Walkthrough durch virtuelle Fabrik- Bildquelle: Virtalis