IPL-Magazin Ausgabe 04 | Juli 2008 | Autor: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E.h. Michael Schenk, Institutsleiter; Dr.-Ing. Gerhard Müller, stellvertretender Institutsleiter; Dr.rer.nat. Eberhard Blümel, Leiter Geschäftsfeld Virtuell Interaktives


Abstract
 

Mit dem Virtual Development and Training Centre VDTC, der Institutserweiterung des Fraunhofer IFF, befindet sich im Magdeburger Wissenschaftshafen eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf dem Gebiet der virtuellen Technologien. Seine Einrichtungen und Labore beschreiben eine einzigartige Konzentration an zukunftsweisender, internationaler Spitzentechnik. Damit birgt es riesige Potenziale für Forschung, Wirtschaft und Gesellschaft in sich. Der folgende Beitrag stellt die im VDTC verfügbaren VR-Technologien und deren Einsatzfelder vor.
 

Stand und Perspektiven für VR in der Industrie
 

Der Trend in Richtung immer kürzerer Produktentwicklungszyklen und kürzeren Produktions­anlaufphasen und Inbetriebnahmezeiten von komplexen Maschinen und Anlagen erfordert den Einsatz von innovativen Lösungen.
 

Mit Virtual Reality (VR) steht eine Technologie zur Verfügung, die einen entscheidenden Einfluss auf die Gestaltung der Produktlebenszyklen komplexer Produkte haben kann. In der Praxis wird diese Technologie heute z.B. bereits in der Automobilindustrie als einem der wichtigsten technologischen Vorreiter in starkem Masse eingesetzt. Ein Grund hierfür ist, dass die Kosten- und Nutzenvorteile hier klar auf der Hand liegen: Je mehr virtuelle Prototypen anstelle von realen Prototypen eingesetzt werden können, desto kostengünstiger und effizienter gestalten sich die Entwicklungsprozesse eines neuen Automobils. So werden heute bereits grundlegende Entscheidungen über das Design eines neuen Automodells in der virtuellen Realität getroffen, noch lange bevor es ein erstes reales Modell des neuen Automobils gibt.
 

Der Einsatz und Verbreitungsgrad der VR hängt je nach Branche von verschiedenen Faktoren und Einflussgrößen ab. In der Automobilindustrie wird der Einsatz von VR durch beste technologische Voraussetzungen vereinfacht. So liefern die in der Konstruktion als Standardwerkzeuge eingesetzten kommerziellen 3D-CAD Systeme automatisch die notwendigen 3D-Daten für die VR. Ergänzt werden diese durch Werkzeuge zur Simulation von Produkteigenschaften, die mit in die Durchführung von Design Reviews in der VR einfließen können.

 

 
Abb. 1: Design Review eines Elektrogenerators

 

Neben den klassischen Anwendungen der VR im Bereich der Produktentwicklung werden unter dem Schlagwort »Digitale Fabrik« Lösungen entwickelt, die die virtuelle Produktentwicklung mit der virtuellen Prozessgestaltung, d.h. der digitalen Planung und Absicherung der späteren Fertigungsprozesse verbinden. Die VR-Technologie ermöglicht die Darstellung und interaktive Gestaltung kompletter virtueller Fabriken und ihrer Prozesse. Die optimierten Lösungen können nach didaktischer Aufbereitung für die Personalqualifizierung zur Verfügung gestellt werden. Zukünftige Fertigungsabläufe werden in VR-Umgebungen virtuell gestaltet und getestet.


 

Abb. 2: Virtuelle Fabrik eines Automobilzulieferes

 

Dies ermöglicht die Einbeziehung von Zulieferern und Kunden in diesen Prozessen zum frühen Zeitpunkt. Daraus ergibt sich ein steigender Bedarf für VR im Maschinen- und Anlagenbau [Schenk06-01]. Hier konzentrieren sich Anwendungen von VR vorrangig auf den Bereich Design Review und die Funktionsdarstellungen von Maschinen. Ein hohes Potential von VR besteht jedoch auch hier, wenn man das Gebiet der Trainings- und Wartungsanleitungen betrachtet. Zur Dokumentation einer Maschine wird der Hersteller zukünftig nicht mehr allein ein traditionelles Handbuch, sondern digitale Medien mit virtuell-interaktiven Trainingsmodulen mitliefern [Schenk03]. Beispiele für solche Modelle wurden vom Fraunhofer IFF z.B. gemeinsam mit Herstellern und Nutzern von Gießereimaschinen und Druckmaschinen erstellt.

 

Abb. 3: Virtuelle Inbetriebnahme einer Werkzeugmaschine

 


Die virtuelle Inbetriebnahme von Maschinen und Anlagen ist ein zukünftiges Einsatzgebiet für VR mit hohem Potential für die Verkürzung von Anlaufzeiten. Forschungs- und Entwicklungsbedarf liegt  hierbei in der Integration von CNC- und SPS-Steuerungssystemen sowie verfahrenstechnischer Simulation in virtuelle Testplattformen. [Schenk06-02]
 

Infrastruktur und Leistungsangebote des VDTC
 

Die  technologische Infrastruktur des VDTC  ist ausgelegt einerseits für die Erforschungs- und Entwicklung von anwendungsorientierten Basistechnologien für Virtual Reality Techniken und andererseits zur Erbringung von kundenorientierten VR-basierten Dienstleistungen. Daraus ergeben sich zwei miteinander eng verbundene Schwerpunkte für die Leistungsangebote, die auch die Nutzung der VDTC-Infrastruktur durch Kunden und Partner umfasst.
 

Das VDTC verfügt über eine weltweit einmalige 360° Laserprojektionsanlage (Elbe Dom), die mit 6 Projektoren eine zylindrische Fläche von 6,5 m Höhe und einem Innendurchmesser von 16 m bestrahlt. Der Bewegungsraum für die Anwender befindet sich auf einem 70 cm hohen Podest und besitzt eine Grundfläche von 48 m². Die Abrundung der Projektionswände im unteren Bereich trägt zur Erhöhung des Immersionsgrades der Präsentation bei. All dies ermöglicht die Präsentation von großen Objekten, wie Flugzeugen, Fabriken oder logistische Systeme im Maßstab 1:1. Die Laserprojektoren der Firma Jenoptik erreichen in der maximalen Auflösung von 1600x1200 Bildpunkten (UXGA) eine Bildwiederholrate von 60 Hz.
 

 


Abb. 4:  360 ° Laserprojektionssystem (Elbe Dom)



Das durch die Lasertechnik erzeugte Farbspektrum, das eine Abdeckung von zwei Dritteln des menschlichen Farbseevermögens erreicht, setzt neue Qualitätsmaßstäbe gegenüber herkömmlichen Projektoren, die nur ein Drittel des menschlichen Farbseevermögens abdecken.  Hinzu kommen ein sehr guter Farbkontrast, der autostereoskopische Effekte in der Visualisierung ermöglicht sowie eine sehr hohe Schärfentiefe, die scharfe Bilder unabhängig von der Entfernung des Projektors von der Projektionsfläche erzeugt.
 

Die Bilddaten der virtuellen Realität werden von einem PC-Cluster mit 6-PCs berechnet und an das Projektionssystem übertragen. Die Interaktion der Anwender erfolgt über ein Hochleistungs-Trackingsystem bestehend aus 6 hochauflösenden Kameras, die bei einer Framerate von 484 Hz eine Auflösung von 1,3 Megapixel erreichen. Damit ist die Bestimmung von Ort und Orientierung eines Objektes im Bewegungsraum mit einer Genauigkeit von 1 Millimeter möglich. Ein Ganzkörper-Motion-Capturing (Bewegungserfassung) von mehreren Personen wird über den Einsatz von bis zu 500 Markierungspunkten unterstützt.
 

Ein weiteres Labor ist die sogenannte CAVE (Cave Automatic Virtual Environment). Dieser von außen eher unscheinbare »Würfel« ist in Wirklichkeit ein hochmodernes Mehrseiten-Projektionssystem.
 

Die CAVE ist mit je 2,3 Meter Kantenlänge zwar wesentlich kleiner als der »Elbe Dom«, besitzt jedoch weitreichende Fähigkeiten. Unter anderem arbeitet das System, anders als der »Dom«, stereoskopisch. Diese »Stereo« -Darstellung vermittelt ihm den realistischen Eindruck, ein dreidimensionales Objekt direkt vor sich im Raum zu sehen. Eine zusätzliche Bodenprojektion gestaltet die räumliche Wahrnehmung noch realistischer.
 

Durch diese Eigenschaft erweitert sich sein Einsatzgebiet um einen wichtigen, funktional-interaktiven Aspekt. Es gestattet dem Nutzer wortwörtlich das interaktive Hineinbegeben in eine virtuelle Realität. Über die vollständige Rundumsicht mit Blick nach unten ist man z. B. in der Lage, Maschinen- und Führerhaussimulationen äußerst realistisch zu gestalten.

 

 

Abb. 5:  Virtuelle Montageplanung in der CAVE


Auf Grund ihrer Form, Größe und der perfekten 3-D-Visualisierung eignet sich die CAVE besonders für schnelle Design Reviews kleinerer Inhalte, wie Maschinen, Innenarchitektur oder Montageabläufe. Als Teil eines integrierten Arbeitskonzeptes, nämlich in direkter Umgebung von Konstruktions-Arbeitsplätzen, dient sie vor allem als individuelles Arbeitsinstrument für kleinere Personengruppen. Diesen ermöglicht es, bspw. über ein Trackingsystem, mit der dargestellten 3-D-Welt zu interagieren.
 

Wie an den vorgenannten Beispielen bereits demonstriert, ist die Interaktivität mit den virtuellen Realitäten einer der wesentlichsten Bestandteile der Darstellungsintentionen im VDTC des Fraunhofer IFF.
 

Dem folgt auch das Gestaltungskonzept des mobilen immersiven Ingenieursarbeitsplatzes. Die Immersion wird in seinem Falle durch die stereoskopische Darstellung der virtuellen Inhalte an einer 120 mal 90 Zentimeter großen Projektionsfläche unterstützt. Gedacht als individueller Arbeitsplatz für eine Person, eignet er sich besonders für die Planung und den Test von Konstruktionen. Damit stellt er ein hervorragendes Werkzeug für das Prototyping dar.
 

Wie auch in der CAVE oder dem »Elbe Dom«, erlaubt die variable Handhabung dem Ingenieur, über ein Trackingsystem die Steuerung der Programmabläufe zu übernehmen. Dank dessen ist er in der Lage, sich mit einer Maschine oder einem Arbeitsplatz unmittelbar auseinanderzusetzen. Zusammen mit dem Designer kann er das Objekt nun auf seine Funktionalität untersuchen, indem einzelne Teile »in die Hand genommen« oder Bedienabläufe ausprobiert werden. Zudem können die jeweiligen Schritte des Zusammenbaus einer Maschine minutiös nachvollzogen werden. Er kann damit Arbeitsplätze virtuell gestalten und auf ihren logischen Aufbau hin untersuchen.
 

Diese drei Arbeitsstationen, der »Elbe Dom«, die CAVE und der »immersive Ingenieursarbeitsplatz« sind jedoch nur ein Teil der technologisch besonders anspruchsvollen Arbeitsmittel des VDTC. Sie ergänzen eine ganze Reihe weiterer Labore und Werkzeuge im Forschungsinstitut, die besonders im Bereich Entwicklung sowie Training und Schulung zur Geltung kommen.
 

Ideenschmiede der Ingenieure - so zum Beispiel das Virtual Engineering Joint Lab. Dieses Labor stellt eine Plattform für angewandte Forschungsarbeiten im Bereich der integrierten Produkt- und Prozessentwicklung bereit. Es dient unter anderem einer durchgängigen Ausbildung von Studenten, Industriepartnern und Mitarbeitern im Bereich der Produktentwicklung. Zur Durchführung dieser Aufgaben stehen dem Joint Lab hochmodern ausgerüstete Schulungsräume sowie ein Rechnerlabor mit 12 CAD Workstations zur Verfügung.
 

Strategische Zusammenschlüsse mit der Fakultät für Maschinenbau der Universität Magdeburg sowie führenden Software-Herstellern und Engineering-Dienstleistern gewährleisten das hohe wissenschaftlich-technische Niveau des Joint Labs. Als kleine aber feine Ideenschmiede richtet es seine Dienstleistungen besonders an den Bedürfnissen von kleinen und mittleren Unternehmen aus. Seine Arbeitsfelder reichen von der CAD-Datenmigration bis hin zur Erarbeitung kompletter Konzepte für das Product Lifecycle Management (PLM). Vor allem durch die Fokussierung auf anwendungsorientierte Forschungsthemen entstehen hier stets neue Werkzeuge der digitalen Produktentwicklung.
 

Dem Computational Mechanics Lab (CML) wiederum liegt ein anderer Gedanke zu Grunde. Hier sollen Produkte und deren Komponenten bereits während der Entwicklung sowohl in ihrer Form als auch in ihrer Funktion digital verfügbar gemacht werden. Dies geschieht durch die kombinierte Abbildung von einerseits dreidimensional visualisierten sowie andererseits mathematischen Modellen an der Workstation. Durch diese Herangehensweise lassen sich die visualisierten Maschinenmodelle für eine Vielzahl von mechanischen Fragestellungen nutzen. Werden diese Modelle auch noch um die elektrische Ansteuerung, die Achsenregelung und die Maschinensteuerung ergänzt, so ist es möglich, einen realistischen Betrieb der Maschine virtuell nachzubilden.
 

Beim Übergang zu realen Prototypen lässt sich durch das Zusammenschalten von bereits existierenden Komponenten und simulierten Modellen (hardware-in-the-loop) die Entwicklung bis hin zum fertigen Produkt virtuell begleiten. Zu diesem Zweck befindet sich im Gebäude weiterhin ein 210 m² großes Mixed-Reality-Technikum, in dem solche realen oder Mixed-Reality-Systeme als Demonstratoren bzw. Versuchsaufbauten installiert werden können. Bestehende Steuersysteme und Bedieneinrichtungen von Werkzeugmaschinen, die mit virtuellen Prototypen gekoppelt wurden, ermöglichen gefahrlose Funktionstests.
 

Zur Unterstützung von Ergonomieuntersuchungen bzw. Fahrertraining dient die sogenannte Hexapod-Motion-Base. An ihr können visuell interaktive Bewegungssimulationen mit austauschbaren Sitzkisten zur Simulator-Entwicklung vorgenommen werden. Testumgebungen für den praxisnahen Einsatz von Augmented-Reality-Systemen erlauben die Konzipierung und Bewertung von Sichtsystemen und Trackingverfahren. Gegenwärtig erfährt die Motion-Base eine funktionale Erweiterung. Sie wird künftig auch als hochmoderner Fahrsimulator einsetzbar sein. In Verbindung mit ihrer dreidimensionalen Umgebungsvisualisierung wird sie damit der Fahrzeugentwicklung an einem wichtigen strategischen Punkt zur Verfügung stehen. Bislang konnte die Automobilindustrie nur auf wenige Forschungs- und Entwicklungskapazitäten im Bereich der Fahrerassistenzsysteme und Ergonomieanpassung zurückgreifen. Auf jenen Bedarf hat das VDTC reagiert. Zukünftig kann es seine Partner im Fahrzeugbau auch in dieser Hinsicht unterstützen.
 

Leistungsangebote

Die Leistungsgebote des VDTC für kundenorientierte VR-basierte Dienstleistungen orientieren sich an den Prozessen seiner Kunden und umfassen neben der Entwicklung von VR-Lösungen auch deren Implementation und Nutzungsbegleitung.  Eine Auswahl von Leistungsangeboten wird für die Leistungsfelder Virtuelle Produktentwicklung, Virtuelle Prozessentwicklung/digitale Fabrik und Qualifizierung und Training aufgezeigt.
 

Virtuelle Produktentwicklung:
 

Virtuelle Funktionsmodelle  für Marketing und Vertrieb
Durchführung von Design Reviews zum Variantenvergleich und zur Konzeptvalidierung
Virtuelle Prototypen für Funktions- und Machbarkeitstests, die Bewertung von Montage-, Demontage- und Instandhaltungsabläufen, Ergonomieuntersuchungen


Virtuelle Prozessentwicklung / digitale Fabrik:
 

VR-Fabrikmodelle zur Erstellung und simulationsgestützen  Bewertung von Fabriklayouts  unter Prozessbedingungen
Interaktive Präsentation und  Design Reviews von Fabriken, Anlagen und logistischen Systemen
VR-basierte Gestaltung von Montageprozessen und –abläufen


Qualifizierung und Training:

 

VR-basierte Erstellung von visuell-interaktiven Dokumentationen komplexer technischer Systeme
Konzeption, Erstellung und Durchführung von kundenspezifischen Trainings- und Schulungsprogrammen
VR-basierte Trainingsplattformen zur Ausbildung und Qualifizierung von Personal
VDTC - Kompetenzzentrum für VR und AR in Deutschland
 

Das VDTC kann sich zur Erbringung seiner Dienstleistungen auf die Kooperation in ein internationales Netzwerk von Universitäten, Forschungseinrichtungen und Wirtschaftunternehmen stützen. Um die Technologie weiterzuentwickeln und für vielfältige industrielle Anforderungen anwendbar zu machen, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) drei neue Verbundprojekte bis 2011 mit rund 39 Millionen Euro im Rahmen der Innovationsallianz „Virtuelle Techniken“.
 

Wissenschaftlich-technische Drehscheibe für die drei Projekte AVILUS (Angewandte Virtuelle Technologien mit Langfristfokus auf den Produkt- und Produktionsmittellebenszyklus) und VIERforES (Virtuelle und erweiterte Realität für höchste Sicherheit und Zuverlässigkeit eingebetteter Systeme) ist das Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung (FhG IFF) in Magdeburg. Im Forschungsprojekt AVILUSplus widmen sich neun Forschungseinrichtungen grundlegenden technologischen Forschungsfragen in den Schwerpunkten Visualiserung und Interaktion sowie Datenhaltung und Messverfahren. Das Projekt VIERforES ist eines der sechs Pilotprojekte im BMBF-Programm „Spitzenforschung und Innovation in den Neuen Ländern“, das auf regionalen Stärken aufbaut.
 

Erleben, Erfahren, Erlernen

Das Virtual Development and Training Centre VDTC stellt eine große Zahl verschiedenster herausragender Möglichkeiten zur Nutzung und Entwicklung virtueller Techniken bereit. All diesen Anwendungsbereichen ist eines gemeinsam – sie ermöglichen dem Menschen das Vordringen in Bereiche, die ohne diese Technik nicht erreichbar wären. Sie verbessern das Verständnis für technische Abläufe und Zusammenhänge, leisten unschätzbare Dienste bei der Entwicklung und dem Betreiben technischer Systeme und erleichtern komplizierte Lernprozesse. Und sie helfen, immense Kosten einzusparen.
 

Literatur:
[Schenk03] Schenk, M.; Müller, G., Blümel, E.: Zwischen Handwerk und Cybertech – Instandhaltung im Spannungsfeld des Wandels. In: Instandhaltung zwischen Handwerk und Cybertech. VDI/VdEh-Forum Instandhaltung, Düsseldorf: 13. Mai 2003. [Schenk06-01] Schenk, M.: Virtuelle Realität – Trends und Anwendungen für die Zukunft. In. Schenk, M. (Hrsg.): Wettbewerbsvorteile im Anlagenbau realisieren. Zukunftsszenarien und Erfahrungsberichte. Tagung Anlagenbau der Zukunft. Magdeburg: 2006, S. 97-103. [Schenk06-02] Schenk, M.; Blümel, E.; Schumann, M.; Böhme, T.: Virtuelle Werkzeugmaschinen real gesteuert. In: wt Werkstattstechnik online Jg. 96, Heft 7/8

 

 

 



Kontakt zum Autor:

 

Fraunhofer Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung

Sandtorstraße 22
39106 Magdeburg

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Fax   +49 (0) 391 40 90 115

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